每日速讀!美國宇航局眾包“觀云項(xiàng)目”，揭曉火星大氣謎團(tuán)

美國宇航局“觀云項(xiàng)目”要求民眾在火星勘測軌道器采集的火星大氣層圖像中尋找類似的拱形特征，從而證明云層的存在。

(資料圖)

據(jù)了解，斯利夫斯基是美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)一位資深博士后研究員，近年來他致力于搜尋火星云層特征，盡管他編寫了一個算法用于完成火星云層勘測任務(wù)，但結(jié)果卻喜憂參半，因此他只能使用肉眼觀察圖像數(shù)據(jù)。

令人意想不到的是，很快斯利夫斯基就收獲頗豐，他發(fā)現(xiàn)每個火星云群的高度和亮度均有差異，斯科夫斯基說：“我觀察了大約一個星期，當(dāng)時的反應(yīng)是：好吧，這得多花點(diǎn)時間，回想當(dāng)時的情景，如果有人幫忙就好了！”

巧合的是，美國宇航局剛呼吁民眾踴躍參加“公民科學(xué)種子基金項(xiàng)目”，這將給太空愛好者們一個參與頂尖研究的機(jī)會，斯科夫斯基和阿明·克雷恩博赫(Armin Kleinbohl)立即開始起草一份提案——勘測識別火星大氣中間云層。云層漂浮在距離火星表面50-80公里高處，從火星氣候探測器的觀測數(shù)據(jù)中可以看到，環(huán)繞火星的勘測儀器能測量火星云層溫度、冰和塵埃含量。

經(jīng)過數(shù)周的貝塔測試，6月底名為“觀測火星云層”的項(xiàng)目在“宇宙動物園”平臺上啟動，該平臺上有數(shù)百個民眾項(xiàng)目，大約有2600位志愿者加入其中，他們在論壇上自我介紹，并鉆研分析氣候探測儀繪制的不同高度、位置和一天中不同時間段的火星大氣圖像。志愿者僅需要一臺電腦和互聯(lián)網(wǎng)接入就可以投稿，因?yàn)閿?shù)據(jù)是通過瀏覽器內(nèi)嵌的可視化工具進(jìn)行查看，該工具還附帶一個快速上手的可選教程。

6月底名為“觀測火星云層”的項(xiàng)目在“宇宙動物園”平臺上啟動，該平臺上有數(shù)百個民眾項(xiàng)目，大約有2600位志愿者加入其中，他們在論壇上自我介紹，并鉆研分析氣候探測儀繪制的不同高度、位置和一天中不同時間段的火星大氣圖像。

組成“觀云小組”的5位研究人員希望該項(xiàng)工作能夠揭示火星全球天氣模式，以及為什么火星大氣層比地球大氣層更稀薄，甚至幫助我們理解曾經(jīng)存在于火星表面的液態(tài)水是如何逃逸到太空。“觀云小組”副首席研究員克雷恩博赫說：“我們通過‘公民科學(xué)種子基金項(xiàng)目’獲得的氣候?qū)W數(shù)據(jù)將比迄今所有火星大氣勘測數(shù)據(jù)更加全面。”

克雷恩博赫對火星云層的形成過程很感興趣，火星云層主要是由二氧化碳(干冰)或者水冰組成，含二氧化碳成分較高的云層將有助于揭示火星大氣結(jié)構(gòu)和動力學(xué)，以及導(dǎo)致極低溫的條件，因?yàn)楣虘B(tài)二氧化碳的凝結(jié)溫度通常比火星大氣的凝結(jié)溫度更低；而含水冰成分較高的云層可能會告訴我們水蒸汽的存在，以及可能負(fù)責(zé)將水蒸汽運(yùn)輸?shù)礁吆０螀^(qū)域的過程。

火星氣候探測儀是火星勘測軌道飛行器裝載的6個儀器之一，該飛行器自2006年以來一直環(huán)繞火星運(yùn)行，它配備了9個頻道，每個頻道都調(diào)諧到不同波長可見光或得紅外光，并繪制出火星表面至80公里高空范圍內(nèi)的熱輻射圖。雖然該氣候探測儀不是專門設(shè)計(jì)用于研究大氣活動，但是執(zhí)行任務(wù)的科學(xué)家們立即注意到熱輻射圖中突出拱形特征暗示著火星云層的存在。他們發(fā)現(xiàn)這些拱形特征是由于航天器沿著火星軌道運(yùn)行時，云層和紅外傳感器之間角度發(fā)生變化導(dǎo)致的，當(dāng)探測儀靠近云層時，云層似乎更接近地面(這類似于我們觀察地球自轉(zhuǎn)時，太陽在天空中以一個明顯的拱形結(jié)構(gòu)升起和落下)。因此，拱形特征的最高點(diǎn)代表了火星云層距離表面的真實(shí)最大高度。

在這項(xiàng)“觀云項(xiàng)目”中，公民科學(xué)家使用一種點(diǎn)擊工具來識別在不同高度和時間的氣候探測儀熱輻射圖中找到的任何拱形峰值，每張圖像顯示在4個不同幀中(原始幀和其他三個不同對比度和亮度的幀)。同時，他們還可以改變顏色來發(fā)現(xiàn)顏色特別暗淡的拱形峰值，或許這是人為操作失誤所致，畢竟不同用戶對相同圖像標(biāo)記完成之前，他們的認(rèn)知度存在一定差異性。

據(jù)悉，斯利夫斯基和克雷恩博赫在“觀云網(wǎng)站(Cloudspotting)”上傳大約4個半月的火星大氣圖像，預(yù)計(jì)人們需要幾個月的時間來解讀，克雷恩博赫說：“觀云項(xiàng)目對于深入分析火星大氣層具有重要意義，遠(yuǎn)超出我們之前的預(yù)期，在短短幾周內(nèi)，公民科學(xué)家仔細(xì)檢查了6000多張火星圖像(超過12萬種圖像分類)，平均每張照片中可發(fā)現(xiàn)3-4朵云。”

事實(shí)上，動員民眾分析海量數(shù)據(jù)集并非什么新鮮事，之前科學(xué)家曾使用“宇宙動物園”平臺對太空照片進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)地球降雨數(shù)字化記錄等，這是一種有利的研究方法，它涉及到尋找計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法識別、且過于隱蔽和復(fù)雜的天文學(xué)特征。美國哈弗福德學(xué)院天文學(xué)家凱倫·馬斯特斯(Karen Masters)是“宇宙動物園”項(xiàng)目的首席研究員，她說：“人類已進(jìn)化了幾千年時間，在模式識別和過濾無關(guān)信息方面非常擅長，人們的識別能力超越計(jì)算機(jī)還是相對容易的，但是與民眾合作也存在著一定挑戰(zhàn)性，即如何讓大家對該項(xiàng)目感興趣，并保持熱度。”

據(jù)悉，為了讓更多民眾參與“觀云項(xiàng)目”，研究團(tuán)隊(duì)在論壇上保持高度活躍性：和參與者一起解決問題，對民眾發(fā)現(xiàn)的任何拱形特征進(jìn)行回應(yīng)和分析，并延伸展開關(guān)于火星科學(xué)的討論，例如：一位項(xiàng)目參與者提問：如何識別火星大氣拱形特征，以及如何幫助未來載人飛船在火星大氣層中航行？7月15日，斯利夫斯基召開了一個網(wǎng)絡(luò)研討會，讓民眾科學(xué)家有機(jī)會與研究團(tuán)隊(duì)見面，研討會上他明確表示，探測器飛進(jìn)含水冰較高的火星大氣層是不可以的！

觀云研究小組并不指望參與者能夠獲取來自氣候探測器的所有數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是在8個火星年中采集的(大約相當(dāng)于16個地球年)，一旦分析了具有代表性的幾年勘測數(shù)據(jù)，斯利夫斯基希望能使用云特征來匹配自己的算法，從而獲得更可靠的結(jié)果。最終，這將提供一個最全面、長期的勘測數(shù)據(jù)庫，科學(xué)家可以利用數(shù)據(jù)庫相關(guān)資料更深入地洞察火星大氣層遠(yuǎn)古時期和當(dāng)前的狀況。

波士頓大學(xué)行星科學(xué)家馬吉德·馬亞辛(Majd Mayyasi)雖未參與該項(xiàng)目，但他對于火星探索十分感興趣，他說：“跨度16個地球年的火星勘測數(shù)據(jù)并非小數(shù)據(jù)，通過民眾深入觀察分析，相信未來不久會揭曉火星大氣中間層成分，以及低大氣層和高大氣層中水和云層的特性，揭示它們是如何結(jié)合在一起的。”

馬亞辛曾研究水如何從火星電離層逃逸至太空，目前他指出，水如何從表面?zhèn)鬏斨粮吆０挝恢玫倪^程中，大氣云層發(fā)揮著重要作用。

斯利夫斯基說：“這是火星大氣層從遠(yuǎn)古溫暖潮濕的星球演變成現(xiàn)今寒冷干燥環(huán)境的一個非常重要的環(huán)節(jié)，在民眾科學(xué)家的幫助下，‘觀云團(tuán)隊(duì)’希望在2023年初發(fā)布初步結(jié)果，一旦整個數(shù)據(jù)庫被分析公布，他們將擴(kuò)展此項(xiàng)工作，進(jìn)而更全面描述整個星球上云層數(shù)量和氣候模式，并且詳細(xì)了解灰塵、水蒸汽和二氧化碳是如何在火星大氣層中變遷移動的。”

然而，當(dāng)前仍有大量數(shù)據(jù)需要深入分析，據(jù)悉，兩周前觀云團(tuán)隊(duì)發(fā)布了第二批火星圖像，大約12000張，相當(dāng)于8個地球月的大氣層勘測數(shù)據(jù)，供民眾科學(xué)家繼續(xù)分類。

預(yù)計(jì)公民科學(xué)項(xiàng)目在未來兩年內(nèi)仍保持一定的活躍度，火星氣候探測器在2022年底(或許更長時間，如果美國宇航局決定延長該探測器勘測任務(wù))將持續(xù)發(fā)送火星大氣層勘測圖像，克雷恩博赫說：“我希望能夠積累更多火星年的勘測數(shù)據(jù)，希望一直到十年結(jié)束，從而建立一個確定、詳細(xì)的火星大氣氣候?qū)W理論。”