天問一號巡視器“祝融號”著陸于火星烏托邦平原南部。“祝融號”搭載的低頻雷達（Rover Penetrating Radar，RoPeR）發(fā)現(xiàn)了著陸區(qū)的垂向分層結構，揭示了多期次與水活動相關的火表改造事件，為剖析火星地質演化和環(huán)境、氣候變遷提供了重要依據(jù)（Li et al., 2022）。沿著雷達車前進方向的地下結構的橫向變化同樣重要，可能反映了更加復雜的地質演化過程。然而，雷達反射圖像橫向變化特征較為微弱，難以有效識別和提取。

中國科學院地質與地球物理研究所火星雷達團隊聯(lián)合中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院、成都理工大學、中國科學院地球化學研究所、中國科學院比較行星學卓越創(chuàng)新中心、中國科學院國家空間科學中心、中國科學院大學和河海大學等，通過對“祝融號”低頻雷達數(shù)據(jù)（圖1）進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)其反射特征存在許多分立的垂直低頻條帶。通過與火星地面現(xiàn)存的地貌特征進行對比，該研究認為新發(fā)現(xiàn)的結構可能是深埋在地下35米處的多邊形地貌（圖2）。該研究在1.2公里的行進距離內識別出16個多邊形楔體，這表明烏托邦平原地下可能廣泛分布著該類地貌。

該研究表明地下多邊形可能由火星早期的凍融循環(huán)產生（圖3）。研究顯示，在地下~35m深度以上和以下的結構存在顯著差異，表明在晚西方紀-早亞馬遜紀火星的水活動和/或熱條件發(fā)生了顯著變化，這意味著在中低緯度（～25°N）發(fā)生過強烈的古氣候變化，或與古火星軌道傾角變化有關。

相關研究成果發(fā)表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院重點部署項目、地質地球所重點部署項目、國家航天局民用航天技術預先研究項目的支持。  

圖1. “祝融號”火星車著陸點和烏托邦平原多邊形地貌：（a）烏托邦平原地形圖，十字顯示的是“祝融號”火星車、“維京2號”火星車和“毅力號”火星車著陸點；黑色等值線是-4 km高程線；四處多邊形地貌的區(qū)域（圖1c-1f）用白色方塊標記；（b）“祝融號”火星車從Sol 11到Sol 113的行進路線；綠色線段表示從圖2（P1–P16）中識別出的地下多邊形的楔體，紫色線段表示多邊形的內部；（c-f）烏托邦平原內4個代表性的多邊形地貌，其位置如圖1a所示。

圖2. 低頻雷達數(shù)據(jù)時變平均頻率揭示的地下多邊形地貌：（a）壓制噪音后低頻雷達數(shù)據(jù)的時變平均頻率；綠色線段（P1-P16）表示地下多邊形之間的楔體；（b）沿35-65 m深度（觀察到的多邊形頂部和底部）累加時變平均頻率獲得的疊加振幅譜（黑色曲線）；（c）探測地下多邊形地貌的平面示意圖，箭頭表示火星車的行進方向，紫色表示多邊形的內部，綠色表示多邊形之間的楔體；（d）多邊形幾何特征定義的示意圖；（e）從圖b中識別出的多邊形直徑大小的直方圖；（f）地球和火星多邊形直徑大小對比分析。

圖3. “祝融號”著陸區(qū)多邊形地貌形成過程示意圖：（a）表面熱收縮開裂；（b）裂隙被水/冰和/或土壤材料填充，產生三種類型的多邊形地貌（冰楔、復合楔和沙楔多邊形）；（c）晚西方紀-早亞馬遜紀時期多邊形地貌停止發(fā)展；（d）多邊形地貌被后期覆蓋。