火星のレゴリス

火星のレゴリスとは、火星の表面を覆う、固まっていない、ゆるく、不均質な表層堆積物の細かい層のことです。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します。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サンプルが地球に持ち帰られたことはありませんが、火星探査車や火星周回衛星を用いて遠隔的に土壌が研究されています。その特性は、過塩素酸塩の存在による毒性など、地球の土壌とは大きく異なる場合があります。

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、岩石と区別するために土壌の機能的な定義を採用しています。[ ^{2 ]岩石}は一般的に、熱慣性が高く、面積比率がバイキング赤外線熱マッピング装置（IRTM）のデータと一致し、現在の風成（風）条件下 では移動しない、10 cm スケール以上の物質（破片、角礫岩、露出した露頭など）を指します。^{[ 2 ]}その結果、岩石は、ウェントワーススケールで玉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電磁スペクトルを網羅する火星リモートセンシング手法間で合意が得られます。土壌とは、風によって移動できるほど十分に細かい粒子を含む、通常は固まっていないその他のすべての物質を指します。^{[ 2 ]}その結果、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ます。典型的な例としては、ベッドフォーム（リップルや砂丘など、流体と可動ベッドの界面に形成される特徴）、砕屑物（堆積物などの既存の鉱物や岩石の破片）、団塊、漂流物、塵、岩石の破片、砂などがあります。機能的な定義は、最近提案された地球上の天体（小惑星や衛星を含む）の土壌の一般的な定義、すなわち、粗大要素やセメント化さ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かい粒子の鉱物または有機物の固まっていない化学的に風化した表層であるという定義を強化します。^{[ 1 ]}

火星の塵は一般的に、火星の土壌よりもさらに細かい物質、すなわち直径30マイクロメートル未満の粒子を指します。土壌の定義の重要性に関する意見の相違は、文献において土壌の統合的な概念が欠如していることに起因します。実用的な定義である「植物の生育媒体」は惑星科学コミュニティで広く採用されていますが、より複雑な定義では、土壌は「（生物）地球化学的／物理的に変化した惑星体の表面物質であり、地表の地球外の土性堆積物を含む」とされています。この定義は、土壌がその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質であることを強調しています。

火星のレゴリスは、塩素を含む過塩素酸塩化合物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ー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。火星周回探査機マーズ・オデッセイも、惑星表面全体で過塩素酸塩を検出している。

過塩素酸塩、例えば過塩素酸カルシウムは、2008年にNASAのフェニックス着陸機によって火星で初めて発見されました。火星のレゴリスで検出された濃度は約0.5%で、これは人間にとって有毒なレベル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年の地球上での研究では、0.5g/リットルの濃度で以下の影響が見られました。

• 植物の葉のクロロフィル含有量の著しい減少
• 植物の根の酸化力の低下
• 地上部と地下部の両方における植物のサイズの縮小
• 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テイアオイは過塩素酸塩に耐性があるようで、環境から有毒塩を除去するのに役立つ可能性があるが、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した。^{[ 5 ]一部の細菌は過塩素酸塩濃度の}増加に対する生理的適応によって過塩素酸塩^を克服できるという証拠があり^{[ 6 ] [ 7 ]} 、中には過塩素酸塩を栄養源として生きているものもある。^{[ 9 ]} 2022年、NASAと米国国立科学財団は、細菌Dehalococcoides ^mccartyiを使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が分子結合を破壊し、さらに危険な化学物質を生成するという追加効果があり、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 ]}低温と相まって、植物を屋内で栽培する必要性が高まるだろう。^{[ 12 ]}

火星の過塩素酸塩中の塩素は火山または玄武岩の水風化に由来すると考えられており、酸素はおそらく大気に由来し、鉱物からの寄与もあると考えられます。過塩素酸塩は、塩素とオゾンの反応、粒子表面での酸化、二酸化塩素によって促進される反応、または砂嵐での静電放電によって生成されるフリーラジカルとの反応のいずれかによって形成される可能性があると仮説が立てられています。^{[ 13 ]}

粉塵による危険性

火星の微細な塵が人間の健康に及ぼす潜在的な危険性は、NASAによって長年認識されてきた。2002年の研究では潜在的な脅威について警告し、火星で最も一般的なケイ酸塩鉱物であるカンラン石、輝石、長石を用いて研究が行われた。その結果、塵は少量の水と反応して、石英の採掘時にも生成され、地球の鉱山労働者に癌を含む肺疾患を引き起こすことが知られている非常に反応性の高い分子を生成することがわかった（この研究では、月の塵はさらに悪い可能性があるとも指摘されている）。^{[ 14 ]}

これに続いて、2001年以来、NASAの火星探査プログラム分析グループ（MEPAG）は、火星の塵が人間に及ぼす可能性のある毒性影響を特定することを目標としてきました。2010年、同グループは、フェニックス着陸機とスピリットおよびオポチュニティ探査車がこの疑問に答えるのに貢献してきたものの、懸念される特定の発がん性物質を測定するのに適した機器はなかったと指摘しました。 ^{[ 15 ]}火星2020探査車は、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う宇宙生物学ミッションです。この探査車は、以下の関連機器を使用します。

• MEDAは、放射線量や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群である。
• 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。 ^{[ 16 ] [ 17 ]}
• SHERLOCは、微細スケールイメージングと紫外線（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す^{[ 18 ] [ 19 ]。}

火星探査車ミッション「マーズ2020」では、将来のミッションで回収され地球へ輸送される可能性のあるサンプルを保管します。現地でまだ解明されていない塵の毒性に関する疑問点は、地球上の研究所で調査することができます。

火星は広大な砂と塵に覆われ、その表面には岩や巨礫が散乱している。塵は時折、惑星全体に及ぶ大規模な砂嵐で巻き上げられる。火星の塵は非常に細かく、大気中に浮遊している量が空を赤みがかった色に見せる。この赤みがかった色は、火星が温暖で湿潤だった数十億年前に形成されたと考えられる鉄鉱物の錆によるものだが、現在火星は寒冷で乾燥しているため、現代の錆は太陽光の紫外線にさらされた鉱物に形成される超酸化物によるものかもしれない。 ^{[ 22 ]}現在の時代では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移動しないと考えられている。過去には、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。火星の研究者たちは、現在の時代に地下水の浸食が火星のレゴリスを形成しているかどうか、また二酸化炭素ハイドレートが火星に存在し、何らかの役割を果たしているかどうかを研究している。

キュリオシティ探査車の砂採取器が初めて使用され、 「ロックネスト」で大量の砂をふるいにかける様子（2012年10月7日）

火星の赤道付近のレゴリス内や高緯度の表面には、大量の水と二酸化炭素の氷が凍結したまま残っていると考えられている^{[ 24 ]} 。火星探査機マーズ・オデッセイの高エネ​​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比で最大5%である[25][26]。^{風化しやすい一次鉱物}であるカンラン石の存在は、火星では現在、化学的風化プロセスよりも物理的風化プロセスが優勢であることを意味すると解釈されている^{[ 27 ]} 。レゴリス中の高濃度の氷は、火星の中緯度に特徴的な丸みを帯びた「軟化した地形」を形成する土壌クリープの加速の原因と考えられている。

2008 年 6 月、フェニックス着陸機は、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、塩化物などの生命維持に不可欠な栄養素を含んでいることを示すデータを送り返した。これらはすべて、地球上で生物が成長するために必要な成分である。科学者たちは、火星の北極付近のレゴリスを地球の裏庭のレゴリスと比較し、植物の生育に適している可能性があると結論付けた。^{[ 28 ]}しかし、2008 年 8 月、フェニックス着陸機は、地球の水を火星の土壌と混ぜてpH を測定するという簡単な化学実験を行い、塩の過塩素酸塩の痕跡を発見した。同時に、火星の表面がかなりアルカリ性で、pH が 8.3 であるという多くの科学者の仮説も確認した。過塩素酸塩の存在は、火星のレゴリスがこれまで考えられていたよりも異質なものであることを示している (毒性のセクションを参照)。^{[ 29 ]}過塩素酸塩の測定値が地球由来の物質によるものである可能性を排除するために、さらなる検査が必要でした。当時、地球由来の物質は宇宙船からサンプルまたは計測機器に移動した可能性があると考えられていました。^{[ 30 ]}しかし、新しい着陸機はそれぞれ、レゴリスに局所的に存在することを確認しており、マーズ・オデッセイ周回機は、惑星の表面全体にグローバルに分布していることを確認しました。^{[ 4 ]}

1999年、マーズ・パスファインダー探査車は火星のレゴリスの間接的な静電気測定を行った。ホイール摩耗実験（WAE）は、15個の金属サンプルとフィルム絶縁体をホイールに取り付けて太陽光を光起電力センサーに反射するように設計された。着陸機のカメラは、探査車が移動するにつれてホイールに塵が蓄積する様子を示し、WAEはセンサーに当たる光量の減少を検出した。ホイールが表面を転がる際に塵が静電荷を帯び、塵がフィルム表面に付着したと考えられている。^{[ 31 ]}

2012年10月17日（キュリオシティ探査車が「ロックネスト」に到着）、火星レゴリスのX線回折分析が初めて実施された。その結果、長石、輝石、カンラン石などの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。^{[ 23 ]}ハワイの火山灰は、1998年以来、研究者によって火星レゴリスの模擬物質として使用されている。 ^{[ 32 ]}

2012年12月、火星科学研究所ミッションに従事する科学者たちは、キュリオシティ探査車が行った火星レゴリスの広範な分析により、水分子、硫黄、塩素の証拠、および有機化合物の痕跡が示されたと発表した。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 33 ]}しかし、有機化合物の発生源として地球からの汚染を排除することはできなかった。

2013年9月26日、NASAの科学者たちは、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で採取したレゴリス試料中に「豊富で容易にアクセスできる」水（重量比1.5～3%）を検出したと報告した。^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}さらにNASAは、キュリオシティ探査車が2つの主要なレゴリスタイプ、すなわち細粒の苦鉄質タイプと、その地域で由来する粗粒の珪長質タイプを発見したと報告した。^{[ 36 ] [ 38 ] [ 40 ]}苦鉄質タイプは、他の火星のレゴリスや火星の塵と同様に、レゴリスの非晶質相の水和と関連していた。^{[ 40 ]}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（およびそれ以前のフェニックス着陸船のより極地の地点）で発見され、「これらの塩が地球規模で分布している」ことを示唆している。^{[ 39 ]} NASAはまた、キュリオシティがグレンエルグに向かう途中で遭遇した岩石であるジェイクM岩がムゲアライトであり、地球のムゲアライト岩石と非常によく似ていると報告した。^{[ 41 ]}

2019年4月11日、NASAは、火星探査車キュリオシティが「粘土層」を掘削し、詳細に調査したと発表した。探査車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がシャープ山を登る旅における「大きな節目」である。^{[ 42 ]}

人類が火星を植民地化するには、現地資源が必要となる。そのためには、現地の未固結堆積物を理解することが不可欠だが、そのような堆積物の分類は未だ進行中である。火星表面全体のうち、十分に代表的な状況を把握するには情報が少なすぎる。^{[ 43 ]}

同じ大きさの塵は、地球よりも薄い火星の大気から早く沈降する。例えば、2001年の火星の全球的な砂嵐で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。^{[ 44 ]}しかし、現在の火星の状況では、関連する質量移動は一般的に地球よりもはるかに小さい。2001年の火星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させなかった。 赤道から北緯58度と南緯58度の間で均一な厚さで堆積した場合、厚さは約3μmである。^{[ 44 ]} 2つの探査車地点での塵の堆積は、 100火星日ごとに約1粒の厚さの速度で進行している。^{[ 45 ]}

地球の大気と火星の大気中の塵の濃度の違いは、重要な要因に起因します。地球では、大気中に浮遊していた塵は、土壌水分の作用によってより大きな粒子に凝集するか、海洋水に浮遊します。地球の表面の大部分が液体の水で覆われていることも、この現象を助長しています。火星ではどちらのプロセスも起こらないため、堆積した塵が火星の大気中に再び浮遊する可能性があります。^{[ 46 ]}実際、火星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火星の大気中の塵の組成は、表面の塵と非常によく似ており、斜長石とゼオライトの複合体が体積的に支配的である可能性があります^{[ 47 ]}。これらは、化学的変化なしに火星の玄武岩から機械的に生成できます。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、大気中のダスト中の元素鉄の約45%が最大酸化（ Fe ³⁺）されており、そのほぼ半分がチタン磁鉄鉱として存在していることが示唆されている^{[ 48 ]。}これは、ダストが機械的に生成され、水による変質は薄い水の膜に限られているという説と一致する^{[ 49 ]}。これらの観測結果を総合すると、火星では水によ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、現在火星の表面は風の活動が支配的であり、火星の豊富な砂丘地帯では、大きな粒子が衝突によって微粒子を分解するなどの効果により、粒子が大気中に容易に浮遊する可能性がある^{[ 50 ] 。}

火星の大気中の塵粒子は一般的に 直径 3 μm です。^{[ 51 ]}火星の大気は薄いですが、火星の重力加速度も低いため、浮遊状態を維持する粒子のサイズは、大気の厚さだけでは推定できません。微粒子間に作用する静電気力とファンデルワールス力は、計算にさらなる複雑さをもたらします。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永久に浮遊状態を維持できる一方、直径 20 μm もの大きな粒子は、表面風の乱流が 2 ms ⁻¹ という低い値でも静止状態から浮遊状態に入り、0.8 ms ⁻¹で浮遊状態を維持する可能性があることが示唆されます。^{[ 45 ]}  

2018年7月、研究者らは火星の塵の最大の単一発生源はメデューサフォッサ層であると報告した。^{[ 52 ]}

砂塵旋風

キュリオシティ探査車が撮影した火星の塵旋風

幅30メートル、高さ800メートルの砂塵旋風。高さ20キロメートルに達する砂塵旋風も観測されている。

塵旋風は火星の表面にねじれた暗い筋を残す。

軌道上から撮影した火星の砂嵐の詳細

火星探査機マーズ・グローバル・サーベイヤーが撮影した、2001年6月の砂嵐のない火星（左）と、2001年7月の砂嵐に見舞われた火星（右）。

2018年5月から9月にかけて、火星の光学的深さτにおける砂嵐（火星気候サウンダーによる観測）

塵雲と水雲の違い：画像の中央下部にある黄色の雲は大きな塵雲で、その他の白い雲は水雲です。

地球上での研究は現在、火星レゴリス模擬物質の使用に限られており、例えば、Exolith Lab社が製造したMGS-1模擬物質^{[ 54 ]}は、様々な火星探査機の分析に基づいている。これらは、輸送機器の粉塵対策、高度な生命維持システム、現地資源利用など、火星レゴリスに関連する活動の研究、実験、プロトタイプ試験のために、火星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球上の材料である。

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、これによ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ようになる。これは、より精度の高い模擬物質の開発を可能にするはずだ。これらのミッションの最初のものは、火星2020着陸機から始まる複数段階のミッションである。この着陸機は長期間にわたってサンプルを収集する。その後、2番目の着陸機がサンプルを回収し、地球に持ち帰る。

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  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石（2006年4月13日）
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  「ホッタ」岩の露頭（クローズアップ；3D）（2012年9月12日）
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  火星の「ロックネスト」砂丘 ―キュリオシティ探査車が残した擦過痕（MAHLI、2012年10月4日）
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  火星の岩石「ロックネスト3 」 ―キュリオシティ探査機のマストカムが撮影した画像（2012年10月5日）
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  「ヒドゥンバレー」の砂地に残されたキュリオシティ探査車の軌跡（2014年8月4日）
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  ヒドゥンバレーで砂に部分的に埋まった探査車「ホイール・オブ・ザ・キュリオシティ」（2014年8月6日）

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  火星で移動する砂 ―キュリオシティが撮影した画像（2017年1月23日）
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  火星の砂丘は、擬似カラーで青色で表示されます。擬似カラーでは、黄色から青色は、暖かいレゴリスから冷たいレゴリスを表します。^{[ 55 ]}
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  砂塵の雪崩

• 動画（04:32） – 証拠：火星では水が「勢いよく」流れていた – 2012年9月