李 丹 徐秋予 王天才 魏 勇 王譽棋

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

每當我們仰望星空，總是會有無盡的遐想與揣測，我們在宇宙中是否孤獨？人們心系答案，開展深空探測，以精細尖端的技術構(gòu)筑龐大浩繁的工程，將人類的感知延伸到太陽系的行星、衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星等天體。而奔赴火星，正是人類展開深空探索的關鍵一步。

自古以來人類就對火星情有獨鐘?；鹦窃谖鞣奖还谝浴皯?zhàn)神馬爾斯”的名稱，是象征著戰(zhàn)爭的行星。而在我國古代，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。時至今日，火星仍然令無數(shù)人好奇與著迷，火星探測也成為我國當前深空探測的關鍵領域。2021 年，建黨100 周年之際，“天問一號”探測器的成功入軌與著陸，不僅標志著中國首次自主火星探測任務取得階段性成功，也點燃了科學家與民眾對于火星探索的熱情。

自1962年前蘇聯(lián)發(fā)射“火星一號”探測器以來，人類對火星已經(jīng)開展了數(shù)十次探測。其中，火星大氣與揮發(fā)物演化探測器(MAVEN)于2013年11月由美國國家航天航空局發(fā)射，是一眾火星探測任務中杰出的代表。本文將在簡要回顧火星探測歷史的基礎上，就MAVEN探測器的有效載荷、科學目標以及科學成果進行簡要介紹。

1.火星探測歷程

20 世紀60 年代以來，多個國家已進行火星探測活動共48次，成功及部分成功實施的發(fā)射任務僅28 次。21 世紀以來成功開展的火星探測任務如下(表1)。

表1 2000年至2021年發(fā)射的火星探測器

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

表2 火星在軌探測器

正是一次次的火星探測任務推動了關于火星的科學研究，也為我們逐步揭開了火星的神秘面紗?；鹦鞘且活w類地行星，很多學者認為火星曾經(jīng)具備非常宜居的行星環(huán)境，也是太陽系內(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、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。

對于地球生命來說，大氣是我們生存的重要條件，在溫室效應、大氣環(huán)流、水循環(huán)、阻擋太陽輻射以及減速隕石等方面發(fā)揮著重要作用。于是行星科學家們曾猜想火星上是否也存在大氣，從而使火星也能夠孕育生命。但隨著探測的進一步展開，行星科學家發(fā)現(xiàn)火星的大氣層相當稀薄，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家們產(chǎn)生了疑問：為何火星和地球同處于太陽系宜居帶，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樣子？為了深入研究火星大氣的演化情況，MAVEN 探測器攜帶著科學使命出發(fā)了。

MAVEN 探測器于2013 年11 月搭乘宇宙神五型火箭發(fā)射，踏上了十個月的飛往火星之旅，大約一年后進入火星大氣層?？茖W家們希望能利用MAVEN所收集到的數(shù)據(jù)來分析火星大氣的逃逸過程，并進一步研究火星的氣候變化和可居住性等科學問題。

MAVEN的科學目標有以下四項：

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)，還有與太陽風的相互作用。

3)了解火星中性粒子與離子從大氣逃逸的狀況與相關機制。

4)測得大氣中穩(wěn)定同位素的比例，以了解大氣隨時間流失的情況。

2.MAVEN探測器載荷

MAVEN 探測器衛(wèi)星平臺如圖2 所示。該探測器發(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 的長方體構(gòu)型，太陽電池翼翼展為11.43 m，總功率為1150～1700 W。使用2 個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 次指向地球進行X 頻段通信。除了完成自身的在軌探測任務之外，還可為在火星表面執(zhí)行探測任務的機遇號和好奇號火星車提供數(shù)據(jù)中繼服務。

圖2 MAVEN衛(wèi)星

MAVEN 探測器攜帶3 個有效載荷包，包括粒子與場測量包、遙感包和中性氣體和離子質(zhì)譜儀，共8 種有效載荷(表3)，每種載荷承擔著不同的功能，載荷見圖3。

圖3 MAVEN載荷(a)磁強計(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)太陽風電子分析儀(SWEA)；(f)太陽風離子分析儀(SWIA)；(g)太陽高能粒子儀(SEP)；(h)朗繆爾探測器(LPW)

表3 MAVEN探測器有效載荷簡要介紹

通過以上介紹，可發(fā)現(xiàn)MAVEN 有效載荷的探測目標與整個任務的科學目標緊密結(jié)合，主要針對火星大氣的結(jié)構(gòu)與演化展開探測。與MAVEN 不同，我國的天問一號探測內(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，這從天問一號的載荷裝置中可見一斑。天問一號軌道環(huán)繞器共搭載7 臺有效載荷，探測內(nèi)容主要包含以下五個方面：火星大氣電離層分析及行星際環(huán)境探測、火星表面和地下水冰的探測、火星土壤類型分布和結(jié)構(gòu)探測、火星地形地貌特征及其變化探測、火星表面物質(zhì)成分的調(diào)查和分析。除此之外，天問一號攜帶的“祝融號”火星車的移動功能強大，并且也攜帶了6 臺有效載荷(表4)，與軌道器載荷相呼應，共同承擔了相應的探測任務。

表4 “祝融號”火星車有效載荷簡介

3.MAVEN探測的重要發(fā)現(xiàn)

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

(1) 火星大氣層持續(xù)受到太陽和太陽風的剝離，使火星環(huán)境從過去的較為溫暖濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的寒冷干燥。

(2)探測了當前太陽和太陽風剝離火星大氣層頂?shù)乃俾始捌溥^程，發(fā)現(xiàn)曾有大量火星大氣隨著時間而逐漸逃逸。

(3) 通過測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10倍。高層大氣中的氫來自于低層大氣的水，在光照下分解成氫和氧。

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

(6)火星極光是太陽噴射的各類太陽風暴中的粒子流引起的。當這些粒子轟擊火星大氣層時，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無關。

(8)首次直接探測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。該金屬層長期存在，并在2014 年10 月賽丁泉彗星近距離飛越火星時急劇增強。

(9) 部分太陽風粒子穿透深入高層大氣，不受火星電離層的偏轉(zhuǎn)。其原因是太陽風中的帶電粒子在電離層中發(fā)生化學反應，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雜。這表明高層大氣與低層大氣之間存在氣體交換，但其動力學過程尚不清楚。

4.奔赴火星的意義

MAVEN探測器發(fā)回的照片證實了科學家之前的一些預測。行星科學家在此前預言過，火星上會發(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，證實了這一預言，這讓行星科學家極受鼓舞。另外，MAVEN 的觀測結(jié)果還展現(xiàn)出了在火星的四個巨大的火山上，午后會有云的形成。就像地球的山脈附近會形成云層一樣，這也進一步促進了對火星地質(zhì)地貌的研究與探索。

結(jié)合MAVEN 所探測到的數(shù)據(jù)，科學家們進行分析后認為，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的大氣。那時，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時是宜居的，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時間點，它的全球磁場不復存在，保護星球不受太陽風侵害的主要力量消失，隨后它的大氣逐步被太陽風剝蝕殆盡，其表面也就變成了荒涼、貧瘠的荒漠，不再適合生命存在。MAVEN探測的數(shù)據(jù)展現(xiàn)了火星形成以來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，這些科學成果又反過來幫助科學家們了解地球，讓人們更加深刻地理解了地球磁場對地球大氣、地球生命的保護作用，對人類了解地球環(huán)境的未來演化有著重要的參考價值。

火星探測與行星科學相輔相成。我國作為深空探測大國，在深空探測領域存在“起步晚，起點高”的情況，邁出火星探測第一步并取得圓滿成功之后，如何更快更穩(wěn)地持續(xù)推進火星探測計劃，如何利用探測數(shù)據(jù)開展全面的科學研究已成為當下的重點問題。就MAVEN 探測器而言，它上面的多種有效載荷依然是我們國家深空探測發(fā)展的難關，中國需要不斷培養(yǎng)新的行星科學人才，加大儀器研發(fā)投入，鼓勵和促進深空探測任務總體、儀器研制團隊與行星科學團隊相互融合交流，才能實現(xiàn)工程、技術與科學的相互促進，和諧發(fā)展。

5.結(jié)語

基于MAVEN 軌道探測器傳回的數(shù)據(jù)，科學家們產(chǎn)出了許多意義重大的科學成果，揭示了火星大氣的科學奧秘，加深了人們對火星的了解。MAVEN探測任務的成功，也為其他深空探測任務提供了寶貴經(jīng)驗，對行星科學的發(fā)展做出了貢獻。截至2021年7月，MAVEN軌道探測器仍然在軌工作，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數(shù)據(jù)。同時，期待我國的“天問一號”軌道器與“祝融號”火星車能夠帶來更多的新發(fā)現(xiàn)，揭開火星的神秘面紗，為回答我們在宇宙中是否孤獨的問題交上一份全新的答卷。