火星のレゴリス

火星のレゴリスは、火星の表面を覆う、固められていない、ゆるい、不均質な表層堆積物の細かい毛布である。火星の土壌という用語は、通常、レゴリスのより細かい部分を指す。これまでのところ、火星サンプルリターンミッションの目標である地球へのサンプルの持ち帰りは行われていないが、火星探査車や火星探査機を使用して土壌の遠隔調査が行われている。その特性は、過塩素酸塩の存在による毒性を含め、地球の土壌とは大幅に異なる可能性がある。

地球上では、「土壌」という用語には通常、有機物が含まれます。^[1]対照的に、惑星科学者は土壌を岩石と区別するために機能的な定義を採用しています。^[2]岩石は通常、10 cm スケール以上の物質 (破片、角礫岩、露出した露頭など) を指し、熱慣性が高く、面積率がバイキング赤外線サーマルマッパー (IRTM) データと一致し、現在の風の条件下では動きません。^{[2]したがって、岩石は}ウェントワーススケールで丸石のサイズを超える粒子として分類されます。

このアプローチにより、ガンマ線から電波までの電磁スペクトルにまたがる火星リモートセンシング方法間での合意が可能になる。「土壌」とは、風によって移動させられるほど十分に細粒のものも含め、その他すべての、通常は固められていない物質を指す。^[2]したがって、土壌には着陸地点で確認されたさまざまなレゴリス成分が含まれる。典型的な例としては、ベッドフォーム（波紋や砂丘など、流体と移動床の界面に形成される地形）、クラスト（堆積物などの既存の鉱物や岩石の破片）、コンクリーション、漂流物、塵、岩片、砂などがある。この機能的定義は、最近提案された地球上の物体（小惑星や衛星を含む）の土壌の一般的な定義を補強するものであり、粗い要素や固められた部分の有無にかかわらず、センチメートルスケールの厚さを超える細粒の鉱物または有機物質の固められていない化学的に風化した表層である。^[1]

火星の塵は一般に、直径 30 マイクロメートル未満の火星の土よりもさらに細かい物質を意味します。土の定義の重要性に関する意見の相違は、文献に土の統合概念が欠けていることが原因です。「植物の成長の媒体」という実用的な定義は、惑星科学界で一般的に採用されていますが、より複雑な定義では、土は「表面の地球外地殻堆積物を含む惑星体の表面にある (生物) 地球化学的/物理的に変化した物質」と説明されています。この定義では、土は環境履歴に関する情報を保持し、形成に生命の存在を必要としない物体であることを強調しています。

火星の表土は、塩素を含む過塩素酸塩の濃度が比較的高いため有毒である。^[3]元素塩素は、火星探査車ソジャーナによる局所的な調査中に初めて発見され、スピリット、オポチュニティ、キュリオシティによって確認された。火星探査機オデッセイも火星の表面全体で過 塩素酸塩を検出した。

NASAのフェニックス着陸船は、過塩素酸カルシウムなどの塩素系化合物を初めて検出しました。火星の表土で検出された濃度は約0.5％で、これは人間にとって有毒であると考えられています。^[4]これらの化合物は植物にも有毒です。2013年の地上調査では、1リットルあたり0.5グラムの濃度で次のような影響が出ることがわかりました。

• 植物の葉のクロロフィル含有量の大幅な減少
• 植物の根の酸化力の低下
• 地上と地下の両方のプラントの規模の縮小
• 葉に濃縮された過塩素酸塩が蓄積する

報告書では、研究対象となった植物の一種であるホオズキは過塩素酸塩に耐性があると見られ、環境から有毒な塩分を除去するのに使用できるが、結果として植物自体に高濃度の過塩素酸塩が含まれることになると指摘されている。^[5]一部の細菌性生命体は、過塩素酸塩濃度の上昇に生理学的適応することで過塩素酸塩を克服できることが示されており^{[6] [7] 、 [8]}、過塩素酸塩を食べて生きているものもある。^{[9] 2022年、NASAと米国立科学財団は、細菌の}デハロコッコイデス・マッカーティを利用して過塩素酸塩を無害な塩化物と酸素に分解する研究に、複数年にわたる助成金を共同で提供した。 ^[10]しかし、火星の表面に到達する高レベルの紫外線の追加効果により分子結合が破壊され、さらに危険な化学物質が生成され、地球上の実験室でのテストでは過塩素酸塩単独よりも細菌に対して致命的であることが示された。^[11]これに加えて寒さも加わり、屋内で植物を育てる必要性が増すことになる。^[12]

火星の微細な塵が人体の健康に及ぼす潜在的な危険性は、 NASAによって以前から認識されてきた。2002年の研究では潜在的な脅威について警告されており、火星で最も一般的なケイ酸塩であるオリビン、輝石、長石を使った研究が行われた。その結果、塵は少量の水と反応して反応性の高い分子を生成することがわかった。この分子は石英の採掘時にも生成され、地球上の鉱山労働者に癌などの肺疾患を引き起こすことが知られている（この研究では月の塵の方が悪い可能性もあると指摘されている）。^[13]

これに続き、NASAの火星探査プログラム分析グループ（MEPAG）は、2001年以来、塵が人間に及ぼす可能性のある毒性影響を判断することを目標としてきました。2010年にグループは、フェニックス着陸船とスピリットとオポチュニティのローバーがこの疑問の解決に貢献したものの、懸念される特定の発がん物質を測定するのに適した機器がなかったと指摘しました。 ^[14]マーズ2020ローバーは宇宙生物学ミッションであり、将来の有人探査の設計者が火星の塵がもたらす危険性を理解するのに役立つ測定も行います。次の関連機器を使用しています。

• MEDA は、放射線、塵の大きさや形状など、さまざまなものを測定する大気センサーのセットです。
• PIXLは火星表面物質の微細な元素組成を決定するためのX線蛍光 分光計である。^{[15] [16]}
• SHERLOCは、微細スケールの画像と紫外線（UV）レーザーを使用して微細スケールの鉱物学を決定する紫外線ラマン分光計である^{[17] [18]}

火星2020探査車ミッションは、将来のミッションで回収され地球に輸送される可能性のあるサンプルを保管します。現場でまだ答えが出ていない塵の毒性に関する疑問は、地球上の研究室で解決できます。

火星は広大な砂と塵で覆われており、その表面には岩や玉石が散らばっている。塵は時折、惑星全体に広がる砂嵐に巻き込まれる。火星の塵は非常に細かく、十分な量が大気中に浮遊しているため、空は赤みがかった色合いになっている。赤みがかった色合いは、数十億年前、火星が暖かく湿っていたときに形成されたと思われる錆びた鉄鉱物によるものだが、現在火星は冷たく乾燥しているため、現代の錆びは太陽光の紫外線にさらされた鉱物上に形成される超酸化物によるものかもしれない。 ^[21]現時代の大気の密度が非常に低いため、砂は火星の風でゆっくりとしか動かないと考えられている。過去には、峡谷や川の谷を流れる液体の水が火星のレゴリスを形成した可能性がある。火星研究者たちは、地下水の浸出が現在の火星の表土を形成しているかどうか、また火星に二酸化炭素水和物が存在して役割を果たしている かどうかを研究している。

火星の赤道部と高緯度地域の地表には、大量の水と二酸化炭素^{[23] の氷がレゴリス内に凍ったまま残っていると考えられています。}マーズ・オデッセイ衛星の高エネルギー中性子検出器によると、火星のレゴリスの水分含有量は重量の5%にも達します。^{[24] [25]風化しやすい一次鉱物である}オリビンの存在は、現在火星では化学的風化作用ではなく物理的風化作用が優勢であることを意味すると解釈されています。^{[26]レゴリス内の高濃度の氷が}土壌の変形を加速させ、火星中緯度に特徴的な丸みを帯びた「軟化地形」を形成する原因であると考えられています。

2008年6月、フェニックス着陸船は火星のレゴリスが弱アルカリ性で、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、塩化物などの重要な栄養素を含むことを示すデータを返しました。これらはすべて、地球上で生物が成長するための成分です。科学者は火星の北極近くのレゴリスを地球の裏庭の庭園のレゴリスと比較し、植物の成長に適している可能性があると結論付けました。^[27]しかし、2008年8月、フェニックス着陸船は地球の水と火星の土壌を混ぜてpHをテストするという簡単な化学実験を行い、過塩素酸塩の痕跡を発見しました。同時に、火星の表面はpHが8.3とかなりアルカリ性であるという多くの科学者の理論を裏付けました。過塩素酸塩の存在により、火星のレゴリスはこれまで考えられていたよりも珍しいものになっています（毒性のセクションを参照）。^[28]過塩素酸塩の測定値が地上起源である可能性を排除するためには、さらなる試験が必要でした。当時は、過塩素酸塩が宇宙船からサンプルや計測機器に移行した可能性があると考えられていました。^[29]しかし、新しい着陸機はそれぞれ、レゴルティッシュでその存在を地元で確認しており、火星オデッセイ探査機は、それが火星の表面全体に広がっていることを確認しました。^[4]

1999年、火星探査機パスファインダーは火星の表土の間接的な静電気測定を行った。車輪摩耗実験（WAE）は、車輪に取り付けられた15個の金属サンプルとフィルム絶縁体で構成され、太陽光を光起電センサーに反射する。着陸機のカメラは、探査機が移動すると車輪にほこりが蓄積する様子を示し、WAEはセンサーに当たる光量の低下を検出した。車輪が表面を転がるにつれてほこりが静電気を帯び、フィルム表面にほこりが付着したと考えられている。^[30]

2012年10月17日（ 「ロックネスト」のキュリオシティ探査車）、火星のレゴリスの初めてのX線回折分析が行われた。その結果、長石、輝石、カンラン石を含むいくつかの鉱物の存在が明らかになり、サンプル中の火星のレゴリスはハワイの火山の「風化した玄武岩質土壌」に似ていることが示唆された。^[22]ハワイの火山灰は1998年以来、研究者によって火星のレゴリスの模擬物として使用されている。^[31]

2012年12月、マーズ・サイエンス・ラボラトリーのミッションに携わる科学者たちは、キュリオシティ探査車による火星の表土の徹底的な分析で、水分子、硫黄、塩素の証拠と、有機化合物の痕跡が見つかったと発表しました。^{[19] [20] [32]}しかし、有機化合物の発生源としての地球の汚染を排除することはできませんでした。

2013年9月26日、NASAの科学者らは、火星 探査車キュリオシティが、ゲールクレーターのアイオリス・パルスのロックネスト地域の表土サンプルに「豊富で容易にアクセスできる」水（1.5～3重量パーセント）を検出したと報告した。^{[33] [34] [35] [36] [37] [38]}さらに、NASAは、キュリオシティ探査車が2つの主要な表土の種類、すなわち細粒の苦鉄質タイプと、局所的に生成された粗粒の珪長質タイプを発見したと報告した。^{[35] [37] [39]他の火星表土や}火星塵と同様に、苦鉄質タイプは、表土の非晶質相の水和に関連していた。^[39]また、生命に関連する有機分子の検出を困難にする可能性のある過塩素酸塩が、キュリオシティ探査車の着陸地点（およびそれ以前にはフェニックス着陸船のより極地の場所）で発見され、「これらの塩が地球全体に分布している」ことを示唆しています。^[38] NASAはまた、キュリオシティがグレネルグに向かう途中で遭遇したジェイクM岩がムゲアライトであり、地球のムゲアライト岩と非常によく似ていると報告しました。^[40]

2019年4月11日、NASAは火星の探査車キュリオシティが「粘土含有ユニット」を掘削し、綿密に調査したと発表した。探査車のプロジェクトマネージャーによると、これはキュリオシティのシャープ山への旅における「大きなマイルストーン」だという。^[41]

人類は火星に移住するために現地の資源を必要とするだろう。そのためには、その地域の固まっていない堆積物の理解が求められるが、そのような堆積物の分類はまだ進行中である。火星の表面全体について知られていることはあまりに少なく、十分に代表的なものを描くことはできない。^[42]

同様の大きさの塵は、火星の大気が薄いため、地球よりも早く沈降する。例えば、2001年に火星で発生した全球的な砂嵐によって舞い上がった塵は、火星の大気中に0.6年しか留まらなかったが、ピナツボ山の塵は沈降するのに約2年かかった。^[43]しかし、現在の火星の状況では、関連する質量移動は一般に地球よりもはるかに小さい。火星での2001年の全球的な砂嵐でさえ、非常に薄い塵の層に相当する量しか移動しなかった。赤道の北58度と南58度の間に均一な厚さで堆積した場合、約3μmの厚さである。^[43] 2つのローバーサイトでの塵の堆積は、100ソルごとに約1粒子の厚さの速度で進行している。^[44]

地球の大気と火星の大気中の塵の濃度の違いは、重要な要因から生じている。地球では、大気圏を離れた塵は通常、土壌の水分の作用によって凝集して大きな粒子になるか、海洋水に浮遊する。地球の表面のほとんどが液体の水で覆われていることも、これを助長している。火星ではどちらのプロセスも起こらないため、堆積した塵は火星の大気圏に浮遊したままになる。^[45]実際、火星の大気中の塵の組成は、マーズ・グローバル・サーベイヤー熱放射分光計によって観測されたように、表面の塵と非常によく似ており、体積的には斜長石とゼオライトの複合体が大部分を占めている可能性がある^[46]。これは、化学的変化なしに火星の玄武岩から機械的に生成できる。火星探査ローバーの磁気ダストトラップの観測によると、大気中のダストに含まれる鉄元素の約45%が最大限に酸化されており（ Fe ³⁺）、その半分近くがチタン磁鉄鉱に存在することが示唆されている。 ^[47]どちらも、ダストの機械的派生と、薄い水の膜に限定された水性変化と一致している。^[48]これらの観測結果を総合すると、火星には水によって引き起こされるダスト凝集プロセスが存在しないことが裏付けられる。さらに、現在火星の表面では風の活動が優勢であり、火星の豊富な砂丘地帯では、大きな粒子が衝突して微粒子を分散させるなどの効果により、粒子が大気の懸濁液に容易に混入する可能性がある。^[49]

火星の大気中の塵粒子の直径は一般に 3 μm である。^[50]火星の大気は薄いが、火星の重力加速度も低いため、大気の厚さだけでは浮遊状態にある粒子のサイズを推定することはできない。微粒子間に働く静電力とファンデルワールス力により、計算がさらに複雑になる。関連するすべての変数を厳密にモデル化すると、直径 3 μm の粒子はほとんどの風速で無期限に浮遊状態を維持できるが、直径 20 μm ほどの粒子は 2 ms ^{−1という低い表面風の乱れで静止状態から浮遊状態に入るか、0.8 ms −1}でも浮遊状態を維持することが示唆される。^[44]

2018年7月、研究者らは火星の最大の塵の発生源はメデューサエ・フォッサエ層であると報告した。^[51]

地球上での研究は現在、火星のレゴリス模擬物質の使用に限られており、例えば、Exolith Labによって製造されたMGS-1模擬物質^{[53]は、さまざまな火星}探査機の分析に基づいています。これらは、輸送機器の粉塵緩和、高度な生命維持システム、その場での資源利用など、火星のレゴリスに関連する活動の研究、実験、プロトタイプテストのために、火星のレゴリスの化学的および機械的特性をシミュレートするために使用される地上の材料です。

火星サンプルリターンミッションが複数計画されており、実際の火星レゴリスを地球に持ち帰り、火星表面での現地分析よりも高度な分析を行うことができる。これにより、さらに正確な模擬物が得られるはずだ。最初のミッションは、火星2020着陸船から始まる複数部構成のミッションである。これは長期間にわたってサンプルを収集する。次に、2番目の着陸船がサンプルを集めて地球に持ち帰る。

• 
  NASA の火星探査ローバー スピリットが撮影した火星の砂と岩(2006 年 4 月 13 日)
• 
  「ホッタ」の岩の露頭（クローズアップ、3D）（2012 年 9 月 12 日）
• 
  火星の「ロックネスト」砂 -キュリオシティ探査車が残した嘲笑の痕跡 ( MAHLI、2012 年 10 月 4 日)
• 
  「ロックネスト 3 」火星の岩石 –キュリオシティのMastCamが撮影(2012 年 10 月 5 日)
• 
  「ヒドゥン バレー」の砂漠に残るキュリオシティ探査車の軌跡(2014 年 8 月 4 日)
• 
  ヒドゥンバレーの砂の中に部分的に沈んだキュリオシティ探査車の車輪（2014 年 8 月 6 日）

• 
  火星の砂の移動 -キュリオシティが撮影(2017 年 1 月 23 日)
• 
  火星の砂丘は擬似カラーで青く表示されます。擬似カラーでは、黄色から青はより暖かいレゴリスからより冷たいレゴリスを表します。^[54]
• 
  塵の雪崩

• ビデオ (04:32) – 証拠: 火星には「活発に」水が流れていた – 2012 年 9 月