来自火星的中红外TDLAS技术

2012年8月6日，好奇号（Curiosity Rover）在火星的伊奥利亚沼（Aeolis Palus）成功着陆。作为人类第四辆成功着陆的火星漫游车，好奇号不仅延续了人类对这颗红色星球的探索热情，而且再次引发了人类对火星是否有生命痕迹的疑问和关注。为了探测盖尔撞击坑内（Gale）的环境是否曾经能够支持生命，好奇号配备了当时Z为专业和先进的科学仪器，其中包括火星样本分析仪（SAM）。

图1. 好奇号在火星夏普山山脚下的自拍，图片来源于维基百科

SAM旨在通过探索与生命相关的分子和元素化学，研究火星现在和过去的宜居性。目前地球上已知的所有生物都属于碳基生物，因此SAM主要通过寻找有机化合物、除碳以外的轻元素的化学态和同位素示踪剂来研究火星的碳化学。SAM由三套仪器组成，即四极杆质谱仪（QMS）、气相色谱仪（GC）和可调谐激光光谱仪（注：NASA称之为TLS，工业界习惯称TDLAS）。四极杆质谱仪和气相色谱仪可以在气-质联用（GC-MS）的模式下一起工作，对有机化合物进行分离(GC)和Z终鉴定(QMS)。TDLAS可以获得二氧化碳中C和O的极ng确同位素比，并测量甲烷及其碳同位素的微量含量。

图2. 火星样本分析仪，图片来源于NASA

图3显示的是可调谐激光光谱仪(TDLAS)的光学原理图和实物照片。从图中可以看出，TDLAS由3部分构成：含有光源和其他光电器件的前端光学室，样品吸收池以及探测器室。这三个腔室通过窗片分隔。TDLAS采用双光学通道，通道1使用3.27 μm的中红外激光器进行甲烷测量，通道2使用2.78 μm DFB激光器进行水和二氧化碳测量。样品吸收池采用赫利奥特池(Herriott Cell)，物理长度为20厘米。激光在吸收池两端的镜片之间来回多次反射后进入探测器室。2.78μm激光在池内来回反射43次，光程达到8.93米；3.27μm激光在池内来回反射81次，光程达到16.8米。赫利奥特池的使用极大地增加了气体吸收的光程，使得甲烷测量达到百亿分之一的灵敏度（约0.1ppbv），也使得仪器更加小型轻便，TDLAS总重量只有3.7千克。

图3. 可调谐激光光谱仪(TDLAS)，图片来源于NASA

2018年6月7日，美国宇航局(NASA)利用TDLAS测量的甲烷浓度数据，确认了火星大气中的甲烷背景水平存在季节性的周期变化。科学家推测这些甲烷可能来源于地质过程中的化学反应，甚至火星地下的微生物或其他形式的生命，但是到目前为止没有证据证实这些猜测。2019年6月下旬，TDLAS检测到了好奇号登陆火星以来的Z高甲烷浓度，达到了惊人的21ppb，是甲烷背景浓度的40倍左右！这让火星大气中甲烷的来源问题更加扑朔迷离。

图4. 火星大气中的甲烷的周期变化，图片来源于维基百科

好奇号火星车上拍摄的火星上的一天。

图5、火星上的日出、正午、日落及夜空

图6、新一代火星车“毅力号”将于今年7月中旬（大约40天之后！）发射升空

作为“好奇号”发现火星甲烷本底异常的续集，新一代火星车“毅力号”将于今年7月中旬（大约40天之后！）发射升空。肩负着人类成为多行星物种(Multi-Planetary Species)梦想的侦查兵，“毅力号”旨在更好地了解火星地质并寻找古代生命的迹象。该任务将收集和存储一组岩石和土壤样本，这些样本可能会在将来的火星任务中被带回地球。“毅力号”还将测试新技术，以使未来的火星机器人和人类火星探索受益。

“毅力号”的主要目标

•探索一个与以往任务存在地质差异的着陆点

•评估远古火星的宜居性

•寻找古代生命的迹象，尤其是在我们已知的能在时间长河中保存生命迹象的特殊岩石中

•收集岩石和土壤样本，这些样本可以通过未来的火星任务返回地球

•展示和验证用于未来机器人和人类火星探索的新技术——如火星无人机等

任务时间表

•于2020年7月至2020年8月在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射

•由美国宇航局的ULA Atlas 541火箭提供发射服务

•2021年2月18日在火星上降落，降落点位于一个曾经充满杰泽罗火山口(Jezero Crater)的古代三角洲湖泊地区

•花至少一个火星年（两个地球年）探索着陆点周围区域