火星惊现超级沙尘暴！美苏探测器“大逃亡”

yzhanping

上文书讲到，在1971年的这个火星窗口期，美国人和苏联人各自发射了两颗火星探测器，苏联人的火星2号和火星3号都发射成功了，美国人的水手8号发射没几分钟就炸了，但是水手9号发射成功。
所以，1971年一共是3个火星探测器几乎是前后脚出发，奔着火星就去了。当然，苏联的探测器比较重，因为苏联人的火星2号和火星3号各自带了一个着陆器，所以整套探测器的组合体就比较笨重，重量足足有3吨重。美国人的水手9号任务很单纯，就是围着火星转悠，所以探测器比较轻，重量才半吨。因此水手9号的速度比较快，后发先至，飞了167天就来到了火星附近，成功进入了环绕火星的轨道。比苏联的火星2号早了13天。比苏联的火星3号早了19天。因为水手9号发射比较晚。在路上走的时间比火星2号短了24天。所以啊，探测器轻，就是跑得快。

火星沙尘暴前后对比

水手9号刚一到火星，准备好了，打开摄像机拍摄火星的照片，哪知道模糊一片，除了几个山尖尖能识别，其他的一概看不清，原来，火星上刮了一场席卷整个火星表面的超级沙尘暴，所以啥也别想看了。要知道，很多人都在等着看火星表面的清晰图像呢，结果是啥都看不清。但是，这也没办法啊，因为这不是探测器的问题，这是火星自己的问题。
地面上的科学家曾经猜想，火星上会有这种席卷全星球的超级风暴。对专门研究行星大气的科学家来讲，这事儿也并不意外。只是没想到这次水手9号刚好撞上。火星上为啥会有这么大规模的风暴呢？问题还是出在火星这个聊胜于无的大气层上。
我们的地球拥有比较浓密的大气层。这个大气层为我们的地球提供了温度均衡的能力，白天不会特别热，夜里也不会特别冷。这个大气层可以非常好的平衡照光面和阴暗面的温度。月亮上没有大气层，亮面和暗面的温差就特别严重，白天零上一百多度，夜里零下一百多度。唯一的好处是既然没有大气层，也就谈不上什么空气流动，也不考虑什么风不风的问题。
火星可就不一样了，火星大气层仅仅只有地球大气的1%，根本没有保温的功能。白天赤道附近温度可以达到27度，夜里可以冷到零下100度，平均温度大概是-55度左右。可是偏偏这个大气层又不能忽略，它还是会形成风的。亮面和暗面的温差达到一百多度，亮面的空气受热膨胀，暗面的空气受冷收缩。白天和夜晚的气压差可以达到10%，大气压力明显存在潮起潮落的现象。

火星沙尘暴想象图

热气会上升，向上飘，周围的冷空气会过来补充。由此形成了风。地表附近的气温和高层大气的气温有很大温差，亮面和背面也有巨大的温差。火星上气压和温度的不平衡会导致火星上很容易出现大规模的风暴。不过呢，规模达到席卷整个火星表面，也并不是太多。平均6~8地球年才会出现一次。但是此等规模的局部风暴就是家常便饭了。
火星上的风速经常能达到10级风的标准。但是你别忘了，火星气压很低很低。所以风速快也没用，地球上4级风就能放风筝了，但是火星上，怎么也得17级风才能放风筝。没办法，大气太稀薄，实在吹不动。
所以呢，火星上挂起沙尘暴，其实尘埃颗粒并不大。能“飞沙”，但是“走不了石”。但是，火星大气上下对流很强。太阳一晒，近地面附近大气温度高，高层大气很冷，上下温差就跟地球上雷雨云差不多，沙尘颗粒被上升气流搅和起来送上高空就很难落下来。所以，沙尘暴持续时间很长。

苏联发行的火星2号纪念邮票

苏联发行的火星2号纪念邮票没办法，水手9号只能老老实实的等着。这时候，苏联的火星2号探测器也来了，它晚了两个礼拜嘛。苏联人的探测器也顺利实现反推刹车，被火星引力捕获，进入了围绕火星的轨道。从这个角度来讲，火星2号也是成功的。但是，火星2号的轨道修正出了点误差，因为苏联人当时采用的星历数据不对。所以经过修正以后，火星2号的轨道比预计的更低了一点。

火星2号的轨道有误差，这就导致它释放出的那个着陆器的轨道也不对。这个着陆器有点像个飞碟，因为火星存在大气层，所以着陆器既要带反推火箭，也要带降落伞，为了避免着陆器和大气摩擦产生的高热量，这个着陆器必须带一个防热大底。这个防热大底就像一面盾牌，看上去可不就想飞碟了嘛。
按我们的想象，应该是火星2号先踩刹车，进入环绕火星的轨道，然后呢，选择一个合适的时机，把着陆器扔下去。可是苏联当时不是这么干的。还没进入环绕火星的轨道，就先把着陆器分离出去了，这时候火星2号本体和着陆器是各走各的。我去着陆，你去环绕。这就等于是一点缓和余地也没有了，着陆器必须第一时间就开始着陆进程。所以火星2号轨道有误差，就一定会连累到着陆器的进入角度。

苏联发行的火星着陆器纪念邮票

所以啊，这个着陆器是在着急忙慌的情况下开启的着陆之旅的，这个轨道角度太垂直，减速的路径太短了，降落伞刚打开，还没充分减速，这个着陆器就落地了，等于是直接摔扁了。至于怎么个具体过程，对不起看不清，下边刮沙尘暴呢。苏联人也想不到火星上刮沙尘暴啊。5月份发射的，9月份火星上开始刮风，计划又没办法变更，只能听天由命了。
好在呢，火星2号的轨道器倒是顺利进入了环绕火星的轨道，还可以留在太空继续拍照片，但是拍摄回来的照片有不少算曝光过度的，根本没法看，有用的数据少的可怜。
火星3号的情况相对好一些，起码轨道修正比较精确，在探测器到达火星之前的4小时35分，着陆器就和探测器本体分离了。两边各自执行自己的任务。火星着陆器还带了一个小号的火星车，这东西只能线控，屁股后边拖着个尾巴，只能在着陆器周围瞎转悠。

苏联的火星车没有轮子，靠两个铁脚板一撑一撑往前走

火星3号的着陆器倒是成功的降落到了火星的表面，这次倒是没摔扁。着陆90秒之后，这个着陆器就开始向飞过头顶的火星3号本体发射数据。但是14.5秒以后就失联了，发回来的数据也不完整，只发送回了79行扫描线，而且全都是杂乱无章的色块，数据完全没意义，这等于是白登陆了。到底下边发生了啥事儿，大家也不知道。没办法，刮沙尘暴，啥也看不清。事后大家猜测，因为在刮沙尘暴，着陆器的天线漏电了，导致电池烧坏了。
火星3号本体的也的确也成功实现了刹车，进入和环绕火星的轨道，但是这个轨道也不太正常。距离最近的时候是1530公里，但是距离最远的时候是19万公里，说白了，火星3号的轨道算个偏心率很高的长椭圆。原本计划算25小时绕着火星转一圈，现在倒好，轨道周期算12.8天。即便是可以给火星拍照，也只有趁着距离最近的时候拍几张，远了就没法拍了。小半个月拍一次，这探测器寿命才几个月啊，你能拍几次啊？这种环绕器，最好当然是绕着一个高度非常低的圆轨道运行算最好的，你这轨道弄得跟彗星似的，效率太低了。

相比之下，水手9号入轨精确度很高。所以在熬过这场沙尘暴之后，应该有不少的科学发现。就这么干等了两个多月，到11月底，沙尘暴已经开始减弱，完全平息则要到1972年的1月份了。
从水手9号发送回到照片上，大家看到有4个火山口非常明显，这些火山口非常高大，以至于高度远在沙尘暴之上。其中3座稍小一点的一字排开，间距均匀，后来这几座山被称为塔尔西斯山群，所在的这片高地被称为塔尔西斯高原。

沙尘暴之上的三座火山

这三座山包连成一条直线，在这条线的垂直平分线上有一座特别高大显眼的火山，后来被称为奥林匹斯火山。这个火山长期以来都是整个太阳系最高大的山峰。等到沙尘暴完全消退，科学家们终于看到了火星的真面目。原来火星地形非常复杂，不仅仅有大量的火山口，还有古老的河床，壮丽的大峡谷和巨大的撞击坑。水手9号发现了20座高大的火山，基本上都比地球上的火山要大。
火星上有冰晶云，有沙尘暴，有雾，有雪，还有风。这是一个相当复杂的星球，在整个太阳系，环境算仅次于地球的存在了。于是，一个老生常谈的问题又一次被问出来了，火星上有生命吗？我们的水手9号拍摄了7329张照片，覆盖了火星表面80%的面积，可以算是提供了第一手的资料。苏联的火星3号只拍了60张照片，数量上就完全没办法比了。苏联在火星探测上屡屡吃瘪，所以，有关火星的大部分知识，都是美国人提供的。

水手9号拍摄的水手大峡谷局部

水手9号最大的一个发现，就是火星表面一道长达4000公里的超级大峡谷。深度超过7000米，这道深深的伤疤几乎切割了，火星1/4的周长。由此可见规模有多大。这条大峡谷，后来就以水手9号来命名，叫做“水手大峡谷”。
咱们地球上也有一道巨大的伤疤，叫东非大裂谷，这条裂谷并不完全连续，中间有错位，尽管总长度达到6000公里，比水手大峡谷要长，但是连续长度不如人家。东非大裂谷深度达到2000米，比人家7000米还是要小很多。地球上风化侵蚀作用太强，高山深谷，时间长了都会被磨平，不如人家也算是正常的吧。
东非大裂谷和红海，以及亚丁湾刚好构成了一个三岔路口。在这个地区，地下有个超级热点，正在逐渐撕裂陆地。但是，这个三叉路口只有其中的两岔能被逐渐的拉豁开，逐渐扩张为大洋，另外一岔发育失败，最终是无法拉豁的。变不成大洋。红海和亚丁湾，就是被拉豁的那两岔，东非大裂谷这一岔没能被拉开，发育失败了。
那么，火星上的这道水手大峡谷，到底是怎么来的？火星上有没有板块活动？可是看上去又不像有的样子。就拿那座奥林匹斯山为例。这东西长得就像是个倒扣的盘子，扁塌塌的，一点也不巍峨壮丽。因为坡度实在不算大。虽然比周围地面高出2.1万米，但是只有在太空才能看出壮观。你在山头上，这种感觉不强烈。

水手9号拍摄的奥林匹斯山

这种火山叫做盾状火山。说倒扣的盘子不好听嘛，说锅盖也不好听，还不如盘子呢。盾牌就霸气多了。这东西也不是一天两天长到这么高的，很明显，火山口冒出岩浆在附近流了一地。这块地面就高了一点，然后火山下次继续喷，继续在火山口周围浇筑出高地，日积月累，就形成一座基座特别宽广，坡度很缓慢的，但是绝对高度很高的巨大山体。
那么，问题来了，浇筑出这么巨大的一个大盘子，时间肯定不短对吧。估计有上亿年之久。如果火星上有板块运动，这座山长到一半，崩塌了，或者地层错动了，或者有啥其他的板块变化，最后形成的火山就没有这么规则，这么对称了。
总体来说，就是这座火山成长的整个过程，没有什么特别大范围的板块运动。那么，水手大峡谷是怎么来的？奥林匹斯山和水手大峡谷的距离并不远。中间只隔着一个塔尔西斯高原。

从这张地形图上可以看出塔尔西斯高原和奥林匹斯山以及水手大峡谷的关系

对了，塔尔西斯山群那三座火山几乎排列在一条直线上，而且大小都差不多，间距很均匀。这个现象也不太可能是巧合，东北方向延长线上，还有几座小火山。这说明，这个地方的地下一定有某种地质结构。但是目前还不知道是怎么回事。
现在科学家们提出了一种猜测，这道峡谷就是和东非大裂谷相似，是35亿年前地下热点导致塔尔西斯高原隆起，这个结果导致旁边的地层薄弱环节产生了塌陷。于是就出现了这道裂缝，一开始并没有这么大这么夸张。但是后来在流水不断地侵蚀影响之下，这道伤疤就越来越大了。
当然，这道伤疤有过好几次加大加深的机会，也不是一蹴而就，火山活动的活跃期也不是一次两次，小天体的撞击也可能起了推波助澜的作用。最后才留下这么壮观的景象。

除此之外，水手9号还发现了大量干涸的河道，网状结构非常像地球上的大小水系。这显然是过去流水冲刷的痕迹。看来火星的过去并不是现在的样子，似乎火星也有一个温暖湿润的过去。
当然，这些都是很久以前的事了，火星上的火山早就停止了喷发，水也都不见了，只是因为火星没有特别剧烈的板块活动，空气也稀薄，侵蚀作用也弱。这些痕迹就如同进了冰箱一样，保留到了现在。
对了水手9号还顺便给火星的两颗卫星拍了照片。这两个卫星长得都像煤渣一样，外观不太规则，尺寸都在11~26公里左右，远远比不上我们的月亮。过去大家认为这两个家伙都是从小行星带俘获的流浪者，被火星收下当干儿子了。但是这也有个问题，那就是这两个卫星的轨道太圆了。如果是被捕获的小行星，轨道应该是偏心严重的长椭圆。

水手9号拍摄的火卫一福波斯

后来大家改变了看法，可能是小行星与火星发生了碰撞，最后差生了这么两个歪瓜裂枣。地球当年也和忒伊亚发生过碰撞，最后才产生了月球。但是碰撞结果就大不一样了。当然啦，这只是一种解释。
不管怎么说，水手9号显然是收获满满，这也使得NASA信心十足，制定了下一步的海盗号计划。美国人也准备发射一颗能够在火星上着陆的探测器。一直到1972年的10月底，因为水手9号调整姿态用的气体消耗光了，NASA才宣布任务结束。

月球20号模型

同样是在1971年，苏联发射了月球18和月球19号，月球18号失败了，月球19号取得了成功，这颗探测器是一个更加先进的月球环绕器。主要是为了研究月球的重力梯度，兼顾拍照任务。接下来苏联又发射了月球20号，这颗探测器实现了第二次在月球上无人采样返回。只是这一次打洞遇到了玄武岩，钻头打不下去，只能适可而止，最终获得了55克的样品，这才一两多点，实在是有点少了。不过整个任务还是比较成功的。
美国人因为火星任务的成功，所以他们又把目标对准了火星轨道之外的小行星带和木星。所以，他们有把过去那个先驱者计划给翻了出来，继续用这个任务代号。这一次，探测器不仅仅会拜访小行星带和木星，还有可能飞出内太阳系，那么应该给这颗探测器准备点什么仪器呢，我们下回再说。