火星探测的里程碑

tattu飞翔

     “天问一号”目前正在火星轨道上开展观测，这是我国的第一枚火星探测器，可谓意义非凡。经由这次任务，我国正式加入了火星探测者的行列。近六十年来，已经有超过30组探测任务成功造访了火星——他们是如何推动我们对火星的认知的？



世界各国火星探测成就。（自制，转载请注明出处。)

Part 01

探索年代

     1957年，前苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星：Sputnik-1号。自那以后，人类立刻开始规划造访地外行星。很快，1960年前苏联就抢先开始了探索火星的征程，于1960年、1962年展开了共五次火星探测器的试射，可惜未能获得成功。



1960年，前苏联试射的1M No.1火星探测器的模型

     紧接着，美国人后发先至，1964年发射的水手4号探测器（Mariner-4），于1965年7月15日（最近点）成为人类第一枚飞掠火星的探测器，最近距离9846千米。它拍摄了人类的第一张火星“近照”，传回了约634kB的数据，且发现在火星上有着类似月球表面的撞击坑。这在一定程度上可以说明火星地质活动沉寂已久，这出乎了科学家们的预料。它还遥测到，火星表面气压大约是410到700帕斯卡，昼间温度大约-100℃。



水手3号和水手4号的模型（左上，二者设计相同），水手4号拍摄的最清晰的火星照片，可见撞击坑（右上），手工上色的人类第一张火星近照（下）

     1969年2月25日和3月27日，美国发射了水手6号、7号，并分别于7月31日，8月5日飞掠了火星（指最近点）。两枚探测器对火星表面的拍照大约覆盖了约20%的面积，一共传回了201张照片。二者还对火星大气层进行了测量，发现其大气主要成分是二氧化碳，但火星表面也有痕量的水。



水手7号飞近火星时拍摄的两张火星半球照片（上）及水手6、7号的模型（下）

Part 02

火星大航海

     前苏联和美国的太空竞赛在1970年前后达到高潮。1971年5月19日和28日，前苏联发射了火星2号、3号（Mars 2， Mars 3），5月9日和30日，美国发射了水手8号、9号。美苏两家的目标都是在火星部署轨道器。

     水手8号发射失败，但是水手9号十分争气，竟然再次后发先至，抢在前苏联的两枚探测器之前切入火星轨道，于1971年11月14日，成为了人类第一枚火星轨道环绕器。水手9号在火星轨道上工作了519天后关机，在其前349天的工作中，它共传回了7329张照片，观测了大量过去的任务未能仔细观察的区域。它发现了大量的火星表面细节特征，包括河床、撞击坑、还包括太阳系中地球之外的第一座，也是最大的火山：奥林匹斯火山。其观测数据直接指导了美国接下来的“海盗（Viking）”系列任务。



上：水手9号模型；左下：水手9号发现的火星表面迷宫一般的地貌；右下：水手9号拍摄的奥林匹斯火山。

     前苏联的火星2号、3号虽然没有抢到第一的位置，但本身也是非常优秀的探测器。11月27日和12月2日，两枚探测器相继进入火星环绕轨道。在进入轨道的同时，二者分别释放了一个着陆器，每个着陆器里还藏着一个小小的巡视车。火星2号着陆器没能成功着陆，成为了首个坠毁在火星表面的人造物；火星3号着陆器成功软着陆，但似乎被火星当时的强烈沙尘暴损坏了。它着陆后104.5秒就失去了信号，只传输回一张残缺的图片，成为了人类首个在火星软着陆的探测器。火星2号和3号也开展了广泛的火星表面测绘工作，测量出奥林匹斯山那惊人的22千米的高度，发现火星表面温度在-110℃至13℃之间，沙尘暴高度可达7千米。此外，他们还携带了磁场、重力等相关测量装置，测定出火星电离层高度大约80-110km。火星3号着陆器还拍摄了人类第一张火星表面的照片——虽然只有70行。据前苏联Lavochkin设计局当时的总设计师V. G. Perminov透露，这张图片是一张“灰色底色但没有细节”的图片。



Mars 2，Mars 3的设计图（上）和巡视器模型（左下），着陆器模型（右下）

      在航天工程领域，运气的成份似乎一直占比很大。从上面的任务开始，美苏的“火星运”就开始走向两个极端。前苏联连战连败，后续的多个着陆器都失败了，一直遗传到现在的俄罗斯，后面甚至传染给了欧盟；美国却连战连捷，鲜有败绩，渐渐成为了火星探测的老大哥。

     1975年8月20日和9月9日，美国NASA发射了海盗1号、2号（Viking 1，Viking 2），并分别于次年7月20日、9月3日成功着陆。海盗1号成为了人类第一枚成功从火星表面传回完整数据的着陆器。海盗1号和2号主要研究了火星表面土壤的性质，并尝试寻找生命的痕迹——当然是没有找到了。从这次任务中科学家发现，火星地表土壤主要是玄武岩风化之后的产物，且含有丰富的硅、铁，和硫、氯等。钾含量大约是地球地表的五分之一左右。总的来说，可能并不适合类似地球生命的碳基生命生存。



上：海盗1号拍摄的人类第一张火星表面照片。中左：海盗号着陆器和轨道器总体。中右：海盗号着陆器的模型。下：海盗2号着陆器于火星正午拍摄的高分辨率全景拼图（其中色彩来自于低分辨率相机）

Part 03

拓宽视野

     海盗号之后，随着太空争霸重心的转移，火星探测渐渐沉寂下来。到1990年前后再次掀起火星热的时候，政治目的开始减弱，科学目的成为了火星任务的第一考量。

     前苏联在多次试图着陆火星失败之后，可能决定换种思路——改为探测火星的卫星，火卫一“Phobos”。1988年7月7日，前苏联发射了“Phobos-2”探测器，希望对火卫一进行轨道观测，并向火卫一部署一个观测站和一个“弹跳器”。总的来说，对火卫一的轨道观测成功了，Phobos-2拍摄了37张火卫一的照片，覆盖了其80%的表面积；携带的红外光谱仪没有发现水的痕迹。然而就在即将释放观测站和弹跳器时，1989年3月27日，Phobos-2失去了信号。科学家推测应当是其机载的三台计算机中的最后一台能正常工作的，出现了严重故障。



Phobos-2号的艺术概念图（上），和其“VSK”相机拍摄的火卫一。

    美国则凭借着多次成功的经验，开始细化对火星的勘测。1996年11月7日，美国发射火星全球勘探者号（Mars Global Surveyer，MGS），在火星轨道上工作了7年，对火星整体进行了测绘，包括地表、大气层和电离层等。



MGS的艺术效果图

    1996年12月4日，美国发射了火星探路者号着陆器（Mars Pathfinder），携带了旅居者号火星车（Sojourner）。这次任务主要是为了试水通过气囊的方法进行软着陆，为将来的任务铺平道路，是名副其实的“探路者”。旅居者号成为了人类第一辆在另一颗行星上行驶的无人巡视车。



上：火星探路者拍摄的火星地表全景；下左：火星探路者和旅居者号正在装配；下右：旅居者号在火星上度过第22个火星日。

     2001年，美国NASA发射了火星奥德赛号（Mars Odyssey）探测器，主要任务是寻找火星的水。不负众望，它对火星浅表底层含水量进行了普查，发现了大量水的踪迹。此外，它在火星赤道地区也发现了浅表的水层——很有可能这些水能够适时融化为液态，供微生物生存。



火星奥德赛号

     2003年，火星大冲，这是近百年来最适合发射火星探测器的窗口。欧空局ESA发射了“火星快车（Mars Express）”轨道器，美国NASA发射了“勇气号（Spirit）”和“机遇号（Opportunity）”火星车。他们几乎全都聚焦于“找水”。火星快车在极地冰盖中发现了水冰，还在大气中发现了甲烷的迹象和痕量的氨——这暗示可能曾有生命存在于火星上，或至少有演化生命的条件。勇气号和机遇号分别发现了一些地表上流水侵蚀风化的线索，并进行了火星上的天文观测。



从火星看地球。由勇气号拍摄。

     2005年，美国NASA发射了火星轨道勘测飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO），它主要针对火星的地理环境和气象环境进行研究。在火星轨道上，它发现了火星表面藏在各种地方的冰，以及各类水成的矿物。此外，根据其数据，科学家推测，火星表面广泛分布着氯化物，这应该是由含水的矿物蒸发形成的——换言之，火星表面曾经广泛分布有水。2011年8月4日，NASA宣布MRO侦察到在火星的温暖的月份里，其表面似乎存在流动的液态水。



MRO观测到的4次火星表面的雪崩现象

     2007年，NASA发射了凤凰号（Phoenix）火星着陆器，2008年5月25日着陆在了火星的极地地区。凤凰号证明了火星极地地区浅地表下水的存在。



凤凰号拍摄的浅地表冰的融化和蒸发。左侧为第20太阳日刚刚挖开的浅地表，右侧为4个太阳日后的同一位置。明显可见白色减少了，融化了。

     2011年，NASA发射了好奇号（Curiosity）火星车。这是一台功能强大的地面综合科学实验室，可以完成全套的采样分析工作。目前，它正在一边走，一边做实验，寻找各种关于水和生命的迹象，拍各种高清晰度的照片。截止2020年12月9日，好奇号距离着陆点已经有23.32千米。



好奇号拍摄的“尖山”。摄影技术确实过硬。

     2013年，NASA发射了“火星大气层和挥发分演化任务（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission，MAVEN）”探测器。这个探测器试图解答：火星是如何失去它表面丰富的水资源和浓密的大气层，变成现在这样荒凉的样子的？2015年的数据证明，随着其内部核心的冷却，火星不再能产生类似地球的内禀磁场，从而导致太阳风长驱直入，剥离了火星大气。水分中的氢离子大量逃逸，从而变得干旱。



在MAVEN的紫外成像下，火星气体成分的挥发。左：原子碳，中：原子氧，右：原子氢

Part 04

新鲜血液

     科学家越是学习和探索这个世界，就越感到自己的无知。越是探索火星，我们就发现还有越多的疑点等待我们去解答。目前，2018年着陆火星的洞察号（InSight）、2018年进入火星轨道的火星微量气体任务卫星（ExoMars Trace Gas Orbiter）才刚刚开始收集数据，解释数据；2021年的三个新鲜血液：中国的天问一号、美国的毅力号（Perseverance）火星车、阿联酋的HOPE号轨道器才刚刚进入工作岗位，没来得及开展科研工作。

上左：ExoMars的模型；上右：HOPE任务的Logo；中左：InSight探测器的艺术效果图；中右：毅力号火星车降落瞬间的照片；下：我国的天问一号火星探测器自拍。

     我们人类了解地球，花了至少上万年的时间，才勉强理解了其表面的一点点。虽然技术在飞速进步，火星似乎也比地球更加“单纯”，60多年的时间显然也不足以让人类摸透火星的前世今生与未来。我们的火星探索之旅才刚刚开始。

美编：朱文潇

校对：覃华清