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全球为何掀起“火星热”? 它会是人类第二个家园吗
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-07-23 16:57
摘要:火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球过去还是地球未来,成为全球火星研究的重大科学问题。

随着长征五号遥四火箭拔地而起,中国首次自主火星探测任务“天问一号”开启奔火之旅。自上世纪60年代以来,人类曾进行了40余次火星探测任务,2020年火星探测再次成为全球热门。为什么我们选择火星?今年探火为何这么热?各国火星探测都有哪些亮点?

选择逐梦火星事关地球未来

自从祖先从茹毛饮血的蛮荒时代缓慢走入文明社会,人类头顶的天空便成为最神秘的地方。目前已知太阳系共有八大行星,火星是人类可以探索的距离地球较近的行星之一,人类如果想要冲出地月系统到达下一个行星,理论上应从火星和金星两个邻居开始。它们和地球同处太阳系内的宜居带内、同属于岩质行星、拥有孕育生命的可能性。

然而,人类经过航天探索发现,金星环境恶劣:气压是地球的92倍,空气中几乎全是二氧化碳,并且布满了稀硫酸云。地表温度常年保持在460℃,探测器着陆后存活难度大,人类更是无法生存。相较而言,火星的条件“优越”不少。火星环境最为接近地球,表面平均温度零下55℃;大气密度相当于地球的1%,在太阳系中大气条件最为接近地球;火星表面光照不太弱,太阳能可用,且由于自转轴倾角和自转周期与地球相近,火星的昼夜长短及四季变化与地球也几乎一样。

地球与火星体积对比。(NASA)

更为关键的是,以往的探测发现了火星存在水的证据,火星纬度40°以上的地区,普遍存在地下冰层;火星中纬度地区曾广泛分布流动冰。2015年9月,NASA正式宣布火星表面存在液态“卤水”(超高盐分含量液态水),使得人们对火星生命的存在增添了希望。火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球过去还是地球未来,成为火星研究重大科学问题。

2019年3月“好奇号”探测器拍摄的火星鹅卵石。

同时,基于现有航天能力,飞行时间8至10个月可到达,相比更远的行星和卫星,任务周期较合适;火星与地球有最接近的环境,使得机器人或人类驻/住火星成为可能。因此在载人登月之后,火星成为人类登陆行星的首选目标。

不过,相比于月球探测,火星探测任务的难度更大。目前,对火星实施的44次探测任务,其中成功仅成功24次。

这主要是由于火星相对地球距离较为遥远,对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出极高要求。考虑到风险、成本等因素,地球航天器到火星的最佳路线为1925年提出的“霍曼轨道”。由于该轨道每26个月才能出现一次,且最近“霍曼轨道”形成时间为2020年夏,所以近期各国火星探测计划均集中在该最佳假窗口期。尤其是1996年以来,几乎每个发射窗口都有火星探测器发射。

2020各国火星探测各有千秋

美国、中国、阿联酋等国家此前均已明确于今年执行火星探测任务,其中阿联酋首个火星探测器“希望号”已先行一步,于7月20日从日本的鹿儿岛由日本H2A运载火箭带上天空,“希望号”是阿联酋乃至阿拉伯世界的第一个火星探测器。美国毅力号也将于近日发射。

随着2020年三大“探火”项目相继开展,针对以火星为代表的深空探测项目,相关国家会持续加大投入力度,从而在这一涉及“地外资源”的未知领域中占据优势。

虽然美、中、阿三国都于2020年夏执行火星探测任务,但由于技术水平、项目进度、科研侧重点等方面的不同,各国的探测任务执行上存在一定的差别。

美国:为“登火”做准备

毅力号火星车。(NASA)

公开资料显示,美国计划近日发射的“毅力号”火星车是在此前获得成功的“好奇号”火星车的基础上改进而来。该火星车装备了最新的机械臂,以及火星环境动力分析仪、火星次表层雷达成像实验仪等科学仪器,不仅能提供高分辨率3D火星图片,还能保存岩石和土壤样本,并在未来带回地球。另有评论认为,作为世界火星探测技术最为先进的国家,美国此次探测任务也是在为下一步的载人登陆打基础。比如此次“毅力号”就携带了火星氧元素原位资源利用实验仪,用以将二氧化碳转化为氧气;美国私人天空探索公司“SpaceX”也计划向火星发射“红龙”火星着陆器,为将来移居火星做基础准备。

中国:一次实现“绕着巡”

天问一号。

我国首次火星探测任务天问一号的探测器由着陆巡视器(着陆器和火星车)和环绕器组成,将一次实现“绕着巡”三步走。火星环绕器携带7台科学仪器,包括高、中分辨率相机、光谱仪、磁力计、表面雷达、离子和中性粒子探测仪等;火星车携带6台仪器,包括探地雷达、光谱相机、小型气象站、磁场探测仪等。此次任务的科学目标是实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等科学探测,从而有利于建立起对火星全面而基础的认识。

阿联酋:环绕探测蕴藏“大计划”

希望号探测器。

相比中美两国,此次阿联酋计划发射的“希望号”火星探测器并没有“落火”计划,探测器采用环绕探测火星的方式研究火星大气和环境。借助装载的仪器,探测器将研究火星低层和上层大气的相互作用关系,并搜寻今天的火星天气和远古的火星气候之间的联系。不过,阿联酋对火星的未来雄心勃勃。去年阿联酋成功将首位宇航员送入太空后,该国还计划投资1.36亿美元在地球上建设一座复制火星环境的“火星城”。“火星城”是阿联酋“2117火星战略”的一部分,该国希望在2117年前在火星上建立人类定居点。

附:世界火星探测发展历程

第一阶段:研究初期的飞越探测(1960-1970)

这一阶段国际探空探测尚处研究初期,相关国家主要以火星飞越探测、传送火星图片与探测大气参数为主,但探测任务成功率并不高,仅有一例成功完成任务。1962年,前苏联发射“火星1A号”探测器被认为是国际火星探测的起点,但该探测器在飞往火星的途中与地面失去联系,最终失败。此后,前苏联的“火星1号”与美国的“水手3号”等火星探测器探测任务也宣告失败,直到1965年终于由美国的“水手4号”首次完成火星飞越,成为首例成功探测火星的人造卫星。到了六十年代中后期,美国与前苏联对火星的探测热情有所减弱,转而集中探测金星。

第二阶段:初步了解火星表面(1970-1990)

上世纪七十年代初期,美苏重新展开火星探测活动,以轨道环绕与着陆探测为主,主要任务包括传输图像、探测大气、磁场、地表温度等。

在此阶段,探测任务成功率明显提高,包括“水手6号”“火星2号”与“海盗1号”在内的多颗探测器顺利完成任务,尤其是1971年发射的前苏联“火星2号”探测器,成功登陆火星成为首颗火星着陆器。1972年,美国“水手9号”到达火星,成为了火星第一颗人造卫星。进入冷战后期,美苏两国对于深空探测的投入减小,仅前苏联发射两颗火星卫星探测器,且全部失败。火星探测的主要方向由发射探测器转为研究历次发射所得资料数据。

第三阶段:探寻火星生命迹象(1990-至今)

冷战结束后,火星探测重新成为深空探测的热点。以美国为首的多个国家地区分别开展火星探测活动,探测方式主要为着陆探测,主要目标是寻找火星水存在的证据和生命迹象。期间共发射过“火星快车”“勇气号”“机遇号”和“好奇号”等多颗探测器,成功找到了火星水存在的证据。

栏目主编:刘锟 文字编辑:刘锟
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