李 丹 徐秋予 王天才 魏 勇 王譽(yù)棋

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 101408；2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 100190；3.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 100029）

每當(dāng)我們仰望星空，總是會(huì)有無(wú)盡的遐想與揣測(cè)，我們?cè)谟钪嬷惺欠窆陋?dú)？人們心系答案，開(kāi)展深空探測(cè)，以精細(xì)尖端的技術(shù)構(gòu)筑龐大浩繁的工程，將人類的感知延伸到太陽(yáng)系的行星、衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星等天體。而奔赴火星，正是人類展開(kāi)深空探索的關(guān)鍵一步。

自古以來(lái)人類就對(duì)火星情有獨(dú)鐘?；鹦窃谖鞣奖还谝浴皯?zhàn)神馬爾斯”的名稱，是象征著戰(zhàn)爭(zhēng)的行星。而在我國(guó)古代，由于火星熒熒似火，行蹤捉摸不定，因此被稱為“熒惑”，并且古人將“熒惑守心”視為不祥之兆。時(shí)至今日，火星仍然令無(wú)數(shù)人好奇與著迷，火星探測(cè)也成為我國(guó)當(dāng)前深空探測(cè)的關(guān)鍵領(lǐng)域。2021 年，建黨100 周年之際，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器的成功入軌與著陸，不僅標(biāo)志著中國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)取得階段性成功，也點(diǎn)燃了科學(xué)家與民眾對(duì)于火星探索的熱情。

自1962年前蘇聯(lián)發(fā)射“火星一號(hào)”探測(cè)器以來(lái)，人類對(duì)火星已經(jīng)開(kāi)展了數(shù)十次探測(cè)。其中，火星大氣與揮發(fā)物演化探測(cè)器(MAVEN)于2013年11月由美國(guó)國(guó)家航天航空局發(fā)射，是一眾火星探測(cè)任務(wù)中杰出的代表。本文將在簡(jiǎn)要回顧火星探測(cè)歷史的基礎(chǔ)上，就MAVEN探測(cè)器的有效載荷、科學(xué)目標(biāo)以及科學(xué)成果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.火星探測(cè)歷程

20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，多個(gè)國(guó)家已進(jìn)行火星探測(cè)活動(dòng)共48次，成功及部分成功實(shí)施的發(fā)射任務(wù)僅28 次。21 世紀(jì)以來(lái)成功開(kāi)展的火星探測(cè)任務(wù)如下(表1)。

表1 2000年至2021年發(fā)射的火星探測(cè)器

目前成功登陸火星的探測(cè)器僅有9個(gè)，分別是：海盜一號(hào)、海盜二號(hào)、探路者、機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)、鳳凰號(hào)、好奇號(hào)、洞察號(hào)、祝融號(hào)，除祝融號(hào)外，其余著陸器均為美國(guó)研制。仍在軌工作的軌道探測(cè)器僅有8個(gè)(表2)。

表2 火星在軌探測(cè)器

正是一次次的火星探測(cè)任務(wù)推動(dòng)了關(guān)于火星的科學(xué)研究，也為我們逐步揭開(kāi)了火星的神秘面紗。火星是一顆類地行星，很多學(xué)者認(rèn)為火星曾經(jīng)具備非常宜居的行星環(huán)境，也是太陽(yáng)系內(nèi)跟地球環(huán)境最相似的行星。但它的直徑約是地球的一半，質(zhì)量約是地球的十分之一。不論在外部空間環(huán)境，還是本身的磁場(chǎng)、電離層、中性大氣成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，如今的火星都和地球有著巨大差異。

對(duì)于地球生命來(lái)說(shuō)，大氣是我們生存的重要條件，在溫室效應(yīng)、大氣環(huán)流、水循環(huán)、阻擋太陽(yáng)輻射以及減速隕石等方面發(fā)揮著重要作用。于是行星科學(xué)家們?cè)孪牖鹦巧鲜欠褚泊嬖诖髿?，從而使火星也能夠孕育生命。但隨著探測(cè)的進(jìn)一步展開(kāi)，行星科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火星的大氣層相當(dāng)稀薄，其主要成分是二氧化碳，氧氣含量非常小，這樣的條件下很難有類地生命存在。

火星的大氣情況讓科學(xué)家們產(chǎn)生了疑問(wèn)：為何火星和地球同處于太陽(yáng)系宜居帶，地球有著厚厚的大氣層，而火星的大氣層卻如此稀??？是什么使火星大氣層演變成今天這個(gè)樣子？為了深入研究火星大氣的演化情況，MAVEN 探測(cè)器攜帶著科學(xué)使命出發(fā)了。

MAVEN 探測(cè)器于2013 年11 月搭乘宇宙神五型火箭發(fā)射，踏上了十個(gè)月的飛往火星之旅，大約一年后進(jìn)入火星大氣層?？茖W(xué)家們希望能利用MAVEN所收集到的數(shù)據(jù)來(lái)分析火星大氣的逃逸過(guò)程，并進(jìn)一步研究火星的氣候變化和可居住性等科學(xué)問(wèn)題。

MAVEN的科學(xué)目標(biāo)有以下四項(xiàng)：

圖1 火星地表模擬圖

1)了解從大氣逃逸至太空的揮發(fā)物在大氣演化中的作用，進(jìn)而了解火星大氣、氣候、液態(tài)水和行星適居性的歷史。

2)了解火星上層大氣與電離層的狀態(tài)，還有與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用。

3)了解火星中性粒子與離子從大氣逃逸的狀況與相關(guān)機(jī)制。

4)測(cè)得大氣中穩(wěn)定同位素的比例，以了解大氣隨時(shí)間流失的情況。

2.MAVEN探測(cè)器載荷

MAVEN 探測(cè)器衛(wèi)星平臺(tái)如圖2 所示。該探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量為2454 kg，干質(zhì)量809 kg，采用2.29 m×2.29 m×3.47 m 的長(zhǎng)方體構(gòu)型，太陽(yáng)電池翼翼展為11.43 m，總功率為1150～1700 W。使用2 個(gè)55A·h的鋰離子電池組供電，姿態(tài)控制方式為三軸穩(wěn)定，采用N2H4單組元推進(jìn)系統(tǒng)，燃料箱可裝載1640 kg燃料。其高增益天線直徑為2 m，每周2 次指向地球進(jìn)行X 頻段通信。除了完成自身的在軌探測(cè)任務(wù)之外，還可為在火星表面執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的機(jī)遇號(hào)和好奇號(hào)火星車提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

圖2 MAVEN衛(wèi)星

MAVEN 探測(cè)器攜帶3 個(gè)有效載荷包，包括粒子與場(chǎng)測(cè)量包、遙感包和中性氣體和離子質(zhì)譜儀，共8 種有效載荷(表3)，每種載荷承擔(dān)著不同的功能，載荷見(jiàn)圖3。

圖3 MAVEN載荷(a)磁強(qiáng)計(jì)(MAG)；(b)中性氣體和離子質(zhì)譜儀(NGIMS)；(c)紫外成像光譜儀(IUVS)；(d)超熱和熱離子組分儀(STATIC)；(e)太陽(yáng)風(fēng)電子分析儀(SWEA)；(f)太陽(yáng)風(fēng)離子分析儀(SWIA)；(g)太陽(yáng)高能粒子儀(SEP)；(h)朗繆爾探測(cè)器(LPW)

表3 MAVEN探測(cè)器有效載荷簡(jiǎn)要介紹

通過(guò)以上介紹，可發(fā)現(xiàn)MAVEN 有效載荷的探測(cè)目標(biāo)與整個(gè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)緊密結(jié)合，主要針對(duì)火星大氣的結(jié)構(gòu)與演化展開(kāi)探測(cè)。與MAVEN 不同，我國(guó)的天問(wèn)一號(hào)探測(cè)內(nèi)容更加廣泛，從地下水冰到高空粒子，旨在從全方位了解火星環(huán)境，這從天問(wèn)一號(hào)的載荷裝置中可見(jiàn)一斑。天問(wèn)一號(hào)軌道環(huán)繞器共搭載7 臺(tái)有效載荷，探測(cè)內(nèi)容主要包含以下五個(gè)方面：火星大氣電離層分析及行星際環(huán)境探測(cè)、火星表面和地下水冰的探測(cè)、火星土壤類型分布和結(jié)構(gòu)探測(cè)、火星地形地貌特征及其變化探測(cè)、火星表面物質(zhì)成分的調(diào)查和分析。除此之外，天問(wèn)一號(hào)攜帶的“祝融號(hào)”火星車的移動(dòng)功能強(qiáng)大，并且也攜帶了6 臺(tái)有效載荷(表4)，與軌道器載荷相呼應(yīng)，共同承擔(dān)了相應(yīng)的探測(cè)任務(wù)。

表4 “祝融號(hào)”火星車有效載荷簡(jiǎn)介

3.MAVEN探測(cè)的重要發(fā)現(xiàn)

MAVEN 探測(cè)任務(wù)為了解火星大氣和氣候的演化做出了重要貢獻(xiàn)，科學(xué)家們對(duì)MAVEN 傳回的數(shù)據(jù)和照片進(jìn)行了分析，獲得了許多重大的科學(xué)成果，以下是NASA 對(duì)MAVEN 探測(cè)器十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的總結(jié)：

(1) 火星大氣層持續(xù)受到太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)的剝離，使火星環(huán)境從過(guò)去的較為溫暖濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的寒冷干燥。

(2)探測(cè)了當(dāng)前太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)剝離火星大氣層頂?shù)乃俾始捌溥^(guò)程，發(fā)現(xiàn)曾有大量火星大氣隨著時(shí)間而逐漸逃逸。

(3) 通過(guò)測(cè)量高層大氣中的同位素，確定火星至少已失去了2/3的大氣。

(4) 發(fā)現(xiàn)高層大氣中的氫含量存在季節(jié)性變化，一年中相差可達(dá)10倍。高層大氣中的氫來(lái)自于低層大氣的水，在光照下分解成氫和氧。

(5)太陽(yáng)風(fēng)與火星之間相互作用的復(fù)雜程度超出預(yù)期?；鹦菦](méi)有內(nèi)稟磁場(chǎng)，但磁性地殼區(qū)域在局部尺度上影響太陽(yáng)風(fēng)，因此造成火星的磁層經(jīng)常變化且分布不均。

(6)火星極光是太陽(yáng)噴射的各類太陽(yáng)風(fēng)暴中的粒子流引起的。當(dāng)這些粒子轟擊火星大氣層時(shí)，將火星大氣的逃逸速度提高10倍以上。

(7) 發(fā)現(xiàn)了兩種新型極光，即擴(kuò)散型極光和質(zhì)子型極光。與地球上的極光不同，這兩種極光與火星磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。

(8)首次直接探測(cè)到火星電離層中存在星際塵埃轟擊火星大氣層形成的金屬離子層。該金屬層長(zhǎng)期存在，并在2014 年10 月賽丁泉彗星近距離飛越火星時(shí)急劇增強(qiáng)。

(9) 部分太陽(yáng)風(fēng)粒子穿透深入高層大氣，不受火星電離層的偏轉(zhuǎn)。其原因是太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子在電離層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟艽┩干钊氪髿獾闹行栽印?/p>

(10) 火星大氣中的氣態(tài)一氧化氮和臭氧分布成像十分復(fù)雜。這表明高層大氣與低層大氣之間存在氣體交換，但其動(dòng)力學(xué)過(guò)程尚不清楚。

4.奔赴火星的意義

MAVEN探測(cè)器發(fā)回的照片證實(shí)了科學(xué)家之前的一些預(yù)測(cè)。行星科學(xué)家在此前預(yù)言過(guò)，火星上會(huì)發(fā)生一氧化氮夜輝現(xiàn)象。MAVEN首次拍攝到這一現(xiàn)象的照片，證實(shí)了這一預(yù)言，這讓行星科學(xué)家極受鼓舞。另外，MAVEN 的觀測(cè)結(jié)果還展現(xiàn)出了在火星的四個(gè)巨大的火山上，午后會(huì)有云的形成。就像地球的山脈附近會(huì)形成云層一樣，這也進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)火星地質(zhì)地貌的研究與探索。

結(jié)合MAVEN 所探測(cè)到的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們進(jìn)行分析后認(rèn)為，火星的大氣層曾經(jīng)也很厚，為火星的表面提供了微暖濕潤(rùn)的大氣。那時(shí)，火星的表面擁有豐富而活躍的水，有海洋、河流、降雨等等。在這種情況下，我們不難想象火星當(dāng)時(shí)是宜居的，甚至有可能有生命的存在與繁衍。但是，在火星形成后不到十億年的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它的全球磁場(chǎng)不復(fù)存在，保護(hù)星球不受太陽(yáng)風(fēng)侵害的主要力量消失，隨后它的大氣逐步被太陽(yáng)風(fēng)剝蝕殆盡，其表面也就變成了荒涼、貧瘠的荒漠，不再適合生命存在。MAVEN探測(cè)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)了火星形成以來(lái)的大致氣候演變以及火星的宜居性。由于火星與地球的相似性，這些科學(xué)成果又反過(guò)來(lái)幫助科學(xué)家們了解地球，讓人們更加深刻地理解了地球磁場(chǎng)對(duì)地球大氣、地球生命的保護(hù)作用，對(duì)人類了解地球環(huán)境的未來(lái)演化有著重要的參考價(jià)值。

火星探測(cè)與行星科學(xué)相輔相成。我國(guó)作為深空探測(cè)大國(guó)，在深空探測(cè)領(lǐng)域存在“起步晚，起點(diǎn)高”的情況，邁出火星探測(cè)第一步并取得圓滿成功之后，如何更快更穩(wěn)地持續(xù)推進(jìn)火星探測(cè)計(jì)劃，如何利用探測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展全面的科學(xué)研究已成為當(dāng)下的重點(diǎn)問(wèn)題。就MAVEN 探測(cè)器而言，它上面的多種有效載荷依然是我們國(guó)家深空探測(cè)發(fā)展的難關(guān)，中國(guó)需要不斷培養(yǎng)新的行星科學(xué)人才，加大儀器研發(fā)投入，鼓勵(lì)和促進(jìn)深空探測(cè)任務(wù)總體、儀器研制團(tuán)隊(duì)與行星科學(xué)團(tuán)隊(duì)相互融合交流，才能實(shí)現(xiàn)工程、技術(shù)與科學(xué)的相互促進(jìn)，和諧發(fā)展。

5.結(jié)語(yǔ)

基于MAVEN 軌道探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們產(chǎn)出了許多意義重大的科學(xué)成果，揭示了火星大氣的科學(xué)奧秘，加深了人們對(duì)火星的了解。MAVEN探測(cè)任務(wù)的成功，也為其他深空探測(cè)任務(wù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)行星科學(xué)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。截至2021年7月，MAVEN軌道探測(cè)器仍然在軌工作，持續(xù)研究火星高空大氣的結(jié)構(gòu)和組成，并且能與火星表面其他火星車相聯(lián)系，傳回更多的火星探測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，期待我國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”軌道器與“祝融號(hào)”火星車能夠帶來(lái)更多的新發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)火星的神秘面紗，為回答我們?cè)谟钪嬷惺欠窆陋?dú)的問(wèn)題交上一份全新的答卷。