火星真的適合人類居住嗎？我們探測火星是為了移民嗎？費事費力探火星真的值得嗎？

觀海覽書 2021-08-14

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地球、火星是離太陽第三、四近的行星，火星在地球運轉(zhuǎn)軌道外側(cè)陪伴了我們億萬年。因表面覆蓋著大量赤鐵礦，火星又有“紅色星球”之美譽。在太陽系八大行星中，火星的特征與地球最相似，也是在不久的將來人類可能登陸的唯一行星。

望遠鏡下的火星

火星是我們?nèi)庋劭煽吹降男行?，在夜空下，它多呈現(xiàn)橘紅色且霧蒙蒙的，這是因其表面覆蓋著大量赤鐵礦、大氣中彌漫著塵埃所致，加之運動軌跡、亮度時常變化，令人迷惑，中國古代稱它為“熒惑”，有“熒熒之火，離離亂惑”之意。古代西方人因其火紅色的外表，稱之為“戰(zhàn)神”。

1609年意大利科學家伽利略發(fā)明了天文望遠鏡，開創(chuàng)了人類用科學儀器研究火星的先河。這一年，德國天文學家開普勒計算出火星是沿著一個橢圓軌道環(huán)繞太陽運行，太陽位于該橢圓的一個焦點上，且此論斷對其他行星也都適用，這就是著名的“開普勒第一定律”。

當某外行星（火星、木星、土星、天王星、海王星）繞日公轉(zhuǎn)時與地球、太陽在一條直線上，且地球恰好位于太陽和外行星之間時，這種天文現(xiàn)象叫“沖(chòng)日”，簡稱“沖”。火星沖日大約每隔2年（約780天）發(fā)生1次，是觀測火星的最佳時機。但每次沖日火星與地球間的距離都不同，距離最近的沖日稱為火星大沖，每15或17年才會發(fā)生一次。上次大沖是在2018年7月27日，下次要等到2035年9月16日。大沖時，火星的亮度可達－2.9等（“等”是星星的亮度等級，數(shù)值越小，亮度越大），是全天所有行星中最亮的一顆星，這也是為什么早期關于火星的重大發(fā)現(xiàn)幾乎都發(fā)生在火星大沖時的原因。

火星沖日示意圖

1659年，荷蘭科學家惠更斯繪制出世界上第一幅有火星表面特征的圖，因外形酷似沙漏，被稱為“沙漏”，即今天的大瑟提斯高原，一片直徑為1300多公里的黑色玄武巖地區(qū)。同年，他成功測量出火星的自轉(zhuǎn)周期為24小時40分鐘（實際為24小時37分鐘）。1672年火星大沖時，惠更斯又發(fā)現(xiàn)了火星的白色極冠。1784年，英國天文學家赫歇爾發(fā)現(xiàn)火星的自轉(zhuǎn)軸傾角是25.2°（實際為25.19°）。隨著天文望遠鏡技術的不斷提高，觀察火星的人越來越多，他們看到了許多令人遐想的圖像，如火星上有些地方的顏色不斷變化，于是猜測是火星植物的生長隨季節(jié)而變化；又如火星極冠的白色區(qū)域面積一年之間也有變化，便聯(lián)想到地球兩極冰層的季節(jié)變化。

惠更斯使用自己設計的“空中望遠鏡”（無管、長焦距、可消色差）觀測星空

惠更斯繪制的世界上第一幅有火星表面特征的圖

1877年火星大沖時，意大利天文學家喬范尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）觀測到火星上有一條條直的暗線把暗區(qū)連成一大片，就像地球上的海峽連結(jié)著大海，他認為這些暗線是火星的“Canali”（水道）。但這個意大利語單詞翻譯成英語文時，被誤譯成“Canals”（運河）。這兩個詞有著本質(zhì)的區(qū)別，水道可能是自然形成的，而運河一定是人工修建的，也就意味著有火星人。此后，美國天文學家珀西瓦爾·洛厄爾（Percival Lowell）用了15年時間仔細觀測火星，得出了驚人的結(jié)論——火星上有500多條運河。他還寫了好幾本有關火星的書，經(jīng)媒體渲染后，在社會上引起火星人大發(fā)酵。不過多數(shù)嚴謹?shù)奶煳膶W家并不支持“火星人”一說，認為洛厄爾的結(jié)論純屬視覺誤導所致，因為他們并沒有觀測到任何運河。

美國天文學家洛厄爾用天文望遠鏡觀測火星

其實，盡管火星大沖時距離地球比較近，但仍有至少5000萬公里的距離，加上地球和火星上都有大氣干擾，天文望遠鏡的倍數(shù)再大，從地球上觀測，也只能看到火星的兩極和輪廓。若想徹底揭開火星之謎，還有待科技的進一步發(fā)展。

空間探測揭面紗

1960年10月10日，蘇聯(lián)發(fā)射了人類首顆火星探測器，標志著人類對火星的探索進入空間時代。遺憾的是，這顆探測器連地球軌道都沒到達。

火星探測器是用來探測火星的航天器，根據(jù)探測任務與火星的位置關系可分為飛掠、環(huán)繞器、著陸器、巡視器四大類。

飛掠、環(huán)繞、著陸、巡視探測器示意圖

飛掠是指從火星附近飛速掠過時對其進行觀測的探測器，有效觀測時間通常為1天，隨后滑入深空。這種探測對變軌技術要求較低，主要用于火星探測初期。1964年11月28日美國發(fā)射的“水手4號”即屬于飛掠探測器，它于1965年7月14~15日飛掠火星，最近距離約為1萬公里，是人類最先到達火星的探測器。從“水手4號”傳回的22張火星表面照片，人們觀察到了大小不等的環(huán)形山等地貌；同時，“水手4號”發(fā)現(xiàn)火星的大氣密度較低、存在電離層、沒有較強的內(nèi)稟磁場（行星內(nèi)部自發(fā)發(fā)生、保持和改變的磁場），因此不存在磁層中的輻射帶。這些發(fā)現(xiàn)都與人們之前設想的情況相反。

人類最先到達火星的探測器“水手4號”

通過直徑64米的“火星天線”（左）接收到的“水手4號”探測器飛掠火星時發(fā)回的第一張圖片（右）。

環(huán)繞器是被火星捕獲進入火星近火軌道、環(huán)繞火星運行的人造衛(wèi)星。美國于1971年5月30日發(fā)射的“水手9號”是第一個成功進入火星軌道、繞火星轉(zhuǎn)動的環(huán)繞探測器。它通過變軌進入距離火星表面約1300公里的軌道上，發(fā)現(xiàn)了火星地貌的南北半球不對稱性：南半球存在大量古老的隕石坑，北半球地勢相對平坦，兩種地貌的交匯處是不規(guī)則的陡坡和矮山?！八?號”還發(fā)現(xiàn)，南半球存在酷似干涸河床的地貌，表明火星上可能曾經(jīng)有河流。

“水手9號”是第一個成功進入火星軌道、繞火星轉(zhuǎn)動的環(huán)繞探測器。

“水手9號”發(fā)現(xiàn)南半球有酷似干涸河床的地貌，表明火星上可能曾經(jīng)有河流。

著陸器是軟著陸于火星表面、進行固定位置探測的人造衛(wèi)星。1976年7月20日，美國“海盜1號”探測器成功軟著陸在火星表面，第一張地表照片從著陸后25秒開始傳送。9月3日，“海盜2號”也成功著陸。兩臺著陸器觀察到火星上有許多巨大的沙丘和丘陵，還記錄下兩次全球性的塵暴天氣。

“海盜1號”由2.3噸的軌道艙和1.1噸的著陸艙組成

“海盜1號”拍攝的火星景觀

探測器的發(fā)射是需要發(fā)射窗口的。地球和火星都在圍繞太陽運轉(zhuǎn)，兩者的相對位置不斷變化。從地球的視角看，大約每隔26個月（約780天）才能和火星最接近一次，這個時間又稱會合周期，即每26個月出現(xiàn)一次寶貴的火星探測發(fā)射窗口期。從1996年起，美國幾乎每個發(fā)射窗口期都會向火星發(fā)射一對探測器，一臺在火星上著陸，對火星的各個特性進行細致的就地探測；另一臺圍繞火星飛行，使科學家們獲取對火星全球特征的認識。

1997年7月4日，美國“火星探路者號”探測器攜帶“旅居者號”巡視器（可在火星表面自由行動的火星漫游車以及未來的載人火星飛船等，又稱火星車）在火星降落，這是人類送往火星的第一部火星車。盡管它只前行了100多米，意義卻猶如人類在月球留下的第一個腳印。通過對“旅居者號”反饋回來的圖片與數(shù)據(jù)匯總研究，科學家們更加確信火星上曾經(jīng)有水存在。

“旅居者號”是人類送往火星的第一部火星車

火星車相比以往的探測器，最大優(yōu)勢在于可隨處移動，意義不言而喻。因此，火星車是近些年火星探測的核心，復雜程度越來越高，待機工作時間也越來越長。由于無需攜帶固定著陸器的相關設備，可集中于科研載荷，從而進行多地點多方面的精細研究，使人類對火星的探測逐步深入。截至2021年6月，繼續(xù)在軌工作的火星車共有3輛，分別是美國的“好奇號”“毅力號”和中國的“祝融號”。

“好奇號”火星車于2012年8月6日以“空中吊車”式成功登陸火星表面，主要任務是探清火星歷史環(huán)境是否曾適合生命存在。其原定任務期為2年，由于狀態(tài)依然良好，美國國家航天局（NASA）宣布無限期延長它的工作時間。目前它在火星上累計移動里程超過20公里，主要成果有：拍攝了大量火星日偏食的照片、證明火星表面土壤按重量算約2%是水分、發(fā)現(xiàn)了古河床，等等。

來自“好奇號”火星車的自拍照

經(jīng)歷了203天的行程、穿越了約4.72億公里之后，NASA最大、最先進的火星探測器“毅力號”于2021年2月18日采用降落傘＋緩沖發(fā)動機反推＋空中起重機的著陸方式成功著陸火星表面。其主要任務是火星生命跡象研究，目前的初步成果是將火星大氣中的部分二氧化碳成功轉(zhuǎn)化為氧氣。

NASA最大、最先進的火星探測器“毅力號”成功著陸火星表面。

2021年2月18日，美國“機智號”無人直升機搭乘“毅力號”火星車登陸火星，并于美國東部時間4月19日成功完成了在火星上的首次飛行，這是人造航空器首次在另一個行星上受控飛行。

北京時間2020年7月23日12時41分，長征五號遙四運載火箭從海南文昌航天發(fā)射中心一飛沖天，成功將攜帶著我國首輛火星車“祝融號”的“天問一號”火星探測器送入預定軌道。2021年2月10日19時52分，“天問一號”探測器順利進入環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實現(xiàn)此次任務“繞著巡”目標的第一步，成功開啟環(huán)繞火星模式。5月15日7時18分，“天問一號”探測器在火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)成功著陸，邁出了我國星際探測征程的重要一步。5月22日，“祝融號”火星車駛離著陸平臺，開始火星地面移動探測工作。“祝融號”攜帶6臺科學儀器，即火星車雷達、磁場探測儀、成分探測儀、氣象測量儀、多光譜相機和地形相機。其中，磁場探測儀是國際上首次在火星表面進行移動的磁場測量，可以獲得精細尺度的火星磁場信息。此次探火任務主要包括：火星空間環(huán)境、地表形貌特征、土壤表層結(jié)構(gòu)等研究；收集有關溫度、氣壓、風速和風向的大氣數(shù)據(jù)；研究火星的磁場和重力場。祝融是中國上古神話中的火神，以火神的名字命名中國首輛火星車，是現(xiàn)代科學與傳統(tǒng)文化的跨時空融合。目前，火星車工作正常，已成功向地面指揮中心傳回大量數(shù)據(jù)。

2020年7月23日，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器在海南文昌發(fā)射升空。

2021年6月11日，中國國家航天局發(fā)布的由“祝融號”火星車拍攝的“著巡合影”圖。

截至2021年6月底，人類共實施了47次探火活動，其中完全成功的探測任務只有22次，成功率約47%，可見火星探測之不易。

無限風光充滿想象

火星是個直徑約為6800公里、寒冷荒蕪的星球，遍布撞擊坑、峽谷、沙丘和礫石。它最引人注目的地形特征是干涸的河床，多達數(shù)千條，大小不一，蜿蜒曲折，縱橫交錯，極為壯觀。河床的存在表明現(xiàn)在干燥異常的火星曾經(jīng)有過大量的水。此外，火星上還有很多名字形象且令人遐想的景觀。

“酷爆的傷疤”：1972年“水手9號”探測器環(huán)繞火星時，在火星表面發(fā)現(xiàn)一條長長的“疤痕”，綿延3000多公里，橫跨600多公里，深達8公里。因圖片分析信息與地球的東非大裂谷極為相似，故起名水手峽谷。關于水手峽谷的起源至今沒有定論，主流觀點認為它始于數(shù)10億年前火星冷卻時形成的裂縫。水手峽谷不僅是火星上最大的峽谷，也是太陽系中最大的峽谷。

水手峽谷是太陽系中最大的峽谷

“神奇的人臉”：1976年“海盜1號”探測器在火星的沙丘表面上拍攝到一處疑似人臉的景觀，不禁讓人浮想聯(lián)翩?？蒲腥藛T歷經(jīng)30多年研究，終于揭開了這個謎底：那些酷似人臉的景觀是類似地球上的巖石山。

科研人員歷經(jīng)30多年研究，最終證實“火星人臉”只是一塊火星巖石，之所以看起來像人臉是因太陽光線照射和拍攝角度所致。

火星冰冠：火星南北極有水冰（即冰）及干冰（固態(tài)二氧化碳）覆蓋的區(qū)域。厚達數(shù)公里、由水冰組成的高原，是火星上水冰重要儲藏庫，被稱為火星冰冠。水和二氧化碳借著升華與凝結(jié)來往于極冠與火星大氣之間，是現(xiàn)今火星氣候重要的一環(huán)。

火星極冠地區(qū)存在水冰、干冰混合物。

高聳的火山群：由于火星引力的原因，地表的火山往往都比較高。位于火星西半球塔爾西斯高原的5座盾狀火山，個個秒殺珠穆朗瑪峰，其中就有太陽系最高的奧林帕斯山，高約22公里，寬約550公里。

奧林帕斯山是太陽系海拔最高的火山

“誘人的椰子”：2018年12月，歐洲航天局發(fā)布了“火星快車”探測器拍攝的環(huán)形山的照片：褐色的科洛廖夫隕石坑中積滿了厚厚的冰層，看上去就像裝滿白色冰激凌的椰子，景象非常壯觀。由于火星大氣層特別稀薄，因此地表密密麻麻覆蓋了成千上萬大小不一的隕石坑?？坡辶畏螂E石坑位于火星北部的低洼處，坑寬約82公里。由于灰塵和水冰慢慢堆積，形成了冰川，如今幾乎填滿了整個凹坑，即使在夏天也是如此，構(gòu)成火星上一道獨特的風景。

“誘人的椰子”——科洛廖夫隕石坑

向著火星勇敢出發(fā)

近年來，由于火星探測的升溫，特別是我國首次火星探測任務“天問一號”探測器的發(fā)射，引發(fā)了社會上更多的人對火星探測的關注，甚至做起了“火星移民的計劃”?；鹦钦娴倪m合人類未來改造和居住嗎？我們探測火星是為了移民嗎？

火星作為地球的近鄰，與地球有很多相似之處，如它們的自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)方式基本相同；有著幾乎相同的晝夜更替和季節(jié)變化；其表面溫度（大約在-133℃~ 27℃）在太陽系類地行星中與地球最為接近；地貌特征也與地球很像，有高山、平原和峽谷等多種地形；火星上還有大量水冰和干冰，被視為太陽系中第二個適宜人類生存的星球。于是火星上是否存在孕育生命的條件，以及火星是地球的過去還是地球的未來，成為火星研究的重大科學問題。也就是說，研究火星對認識地球演變具有非常重要的意義。此外，從工程實施角度來看，去火星相對更容易些。因此，在載人登月之后，火星成為人類登陸行星的首選目標。

阿曼科研人員正在佐法爾沙漠進行模擬登陸火星的實驗。該項目由阿曼和奧地利兩國合作實施，旨在未來將人類送往火星。

面對耗資巨大的航天項目，許多人不禁會問：費時費力探火星，真的值得嗎？探測火星會給我們的生活帶來什么改變？其實早在上世紀70年代，NASA的史都林格博士就有過經(jīng)典回答：“通往火星的航行并不能直接提供食物解決饑荒問題。然而，它所帶來的大量新技術和新方法可以用在火星項目之外，這將產(chǎn)生數(shù)倍于原始花費的收益?！?strong>我們現(xiàn)在生活中的信息遠程傳遞與操控、人工智能、全新的高品質(zhì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品等都是火星探測器技術帶動科技水平提升的成果。隨著火星探測任務的進一步深入，人們對宇宙的認識也會隨之發(fā)生變化，勢必會給我們的生活帶來全新的體驗。

盡管國內(nèi)外深空探測從未有向地外天體移民的意向，但以火星探測等航天工程為代表的航天能力，是綜合國力的象征，在世界競爭格局中發(fā)揮著獨特的作用。中國在火星探測領域是后來者，但起點相當高。在世界航天史上，“天問一號”不僅在火星上首次留下中國人的印跡，而且首次成功實現(xiàn)通過一次任務完成火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標，充分展現(xiàn)了中國航天人的智慧，標志著我國在行星探測領域跨入世界先進行列。據(jù)國家航天局秘書長許洪亮介紹，火星探測下一步擬于2028年實施火星取樣返回任務，有關部門將組織實施好“天問一號”后續(xù)科學探測任務，力爭取得更多新發(fā)現(xiàn)、新成果，實現(xiàn)科學產(chǎn)出最大化，讓航天探索成果為創(chuàng)造人類更加美好的未來貢獻更大力量。

本文節(jié)選自2021年8月刊

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