火星上的“伤疤”：水手号探测器的惊人发现

zorapoon

上文书讲到了美国人登月成功了。阿波罗11号成功的降落在了月球上的静海地区。苏联的月球15号失败了，没能实现月球取样返回的任务。因为大家的注意力都被登月所吸引，所以，水手6号和7号就被大家忽略了。这两个探测器正在对火星进行探测呢。
水手6号比7号早了一个月发射。水手6号这一路走的还是比较顺利的。大家对水手6号也比较关注，因为水手6号已经快要到火星了。水手7号还要过几天才到呢。没想到，水手7号的无线电信号开始闪烁，时有时无的。把地面人员吓了一跳。马上组成了一个7人小组应对这个麻烦。

大家分析了数据，认为是水手7号状态不稳，正在翻跟头呢。所以天线无法长时间盯着地球方向，所以信号才出现闪烁。现在的首要任务是重新建立无线电联系。大家折腾了半天，最后是澳大利亚的堪培拉测控站收到了水手7号的信号。测控人员利用堪培拉的大天线对着水手7号发指令，让水手7号重新进行星光校准。这样就可以把姿态稳定下来。
信号发出去了，水手7号闪烁的信号开始稳定下来，信号也越来越强了。到最后慢慢稳定下来，这说明水手7号不再翻跟头了。这到底是怎么回事呢？因为这种深空探测器都是靠探测星光来稳定自己的姿态。一方面要盯住太阳，另外还得盯住老人星，或者是参宿四。盯住这几颗星，就能调整自己的姿态，保持探测器姿态稳定。但是吧，如果探测器调整姿态的时候喷了点什么东西出来，比如弄出少许颗粒在航天器旁边乱飘，阳光一照，颗粒被照亮，这东西会干扰星光校准器。人家把照亮的小颗粒当星星跟踪了。那可不就开始翻跟头了嘛。
水手7号是正常了，水手6号上的一个冷却装置出了毛病，用来研究火星底层大气的探测器也就没办法用了。不过呢，也就是这点毛病，其他的传感器都是好的。

用水手6号发回照片拼接的动画

水手6号的摄像头已经打开了，地面人员也已经可以看到水手6号奔着火星就冲过去。这些照片都是先要保存在磁带的上，然后在慢慢传回地球。地面人员看到火星的样子和上次水手4号拍摄的照片很不一样。上次水手4号拍摄到的照片看起来跟月亮差不多。全都是大坑套着小坑，都是被陨石给砸的嘛。可是这一次，地面人员从发回的照片里看到了更加复杂的地形结构。火星表面甚至有很多混乱的地形。

火星表面的混乱地形

这说明啥呢？要么就是冻土带解冻了，地下冰雪融化，地形膨胀，导致地表出现不规则的褶皱。要么就是大型火山，导致地下出现了熔岩管道，这个管道坍塌了，因此地面上看到一道伤疤一样的结构。反正这些地形地貌都说明，火星和月球不一样。上次大家都被水手4号的照片给误导了。

地上明显有一道凹槽

这一次水手6号和7号还是飞掠而过。水手6号是斜着从赤道附近擦过去，因此沿着火星的腰部，拍摄的照片可以拼成一长条。大家发现，那些巨大的陨石坑底部都比较平。说明这些大坑的比较古老。时间长了，坑底都被沙子和泥土慢慢填平了。

大小陨石坑的对比

小坑倒是很新，因为底部都比较深，有些环形山中心还会有个小山包。因为大型陨石砸下来的时候，火星表面尽管是固体，但是在高速撞击之下，也会表现出类似液体的行为。地面会出现一个巨大的涟漪。中心点下凹下去再鼓起来，在鼓起一座小山尖的时候，大地固化了。这个小山尖就保留下来了。
那么好了，越大的陨石坑就越古老。越小的反而越年轻，这说明啥呢？火星早期遭遇的小天体都比较大？这个现象很值得研究。
水手6号上还装着好几个光谱仪，有红外的，有紫外的。尽管有一个红外装置的制冷设备坏了，没关系，传感器也不止这一个。通过红外波段可以计算出火星地面的温度，地面的气压之类的数据，通过紫外线传感器，可以研究火星的高层大气，高层大气受到太阳短波辐射的激发，会产生紫外线。通过这些数据，大家发现，有一块地方的地表气压比较低，这说明啥呢？这个地方是一片高原，比周围地区高出了好几公里。直径大概也有一百多公里。这片高地面积还不小呢，这到底是怎么形成的？是火山爆发还是板块挤压？火星上有板块吗？
后边，地面的研究人员又看到了不可思议的景象，有一大片地区，完全是光滑的，没有任何陨石坑。这块地方的尺度起码一千多公里。怎么会一个陨石坑都没有呢？这不正常啊，有哪种力量能抹平陨石坑呢？流水冲刷吗？还是说，这个地方是个干湖床？要多少水才能冲刷出这么大一片？火星上有这么多水吗？
科学家们判断，应该是风吹的吧。火星那稀薄的大气与没有办法吹出这么大的风？总是，谜团越来越多了。不过大家可以肯定，这可比月球复杂多了。火星一定有一个完全不一样的历史。

火星南极的极冠

水手7号比水手6号晚一点到达火星。水手6号等于起到了打前站的作用。大家在画面上看到火星的南极极冠特别亮，因此临时改变了计划，让水手7号从火星的南极上空飞过去，就是为了好好拍摄一下火星的极地冰层。
火星的南北极也有极冠，北极的极冠在夏天会消失，南极的也会缩小，但是并不会消失。你可能会觉得，火星的极冠就像地球上的南极大陆那样，到处都是洁白一片。科学家们最开始看到的火星南极照片也是这样。但是对数据进行处理以后压低亮度，加大对比度，大家发现，火星南极的冰层并不是纯白的。里面也有层层叠叠的复杂结构。而且也有深浅高低。当时科学家们判定，极冠很薄，干冰积雪只有几公分厚。下边可能会有很厚的水冰，但是照片上看不出来。还得分析红外线数据才能知道。因为干冰和水冰的反射光谱还是不一样的。
有关火星上的冰层，我们先要建立一个观念，那就是火星上的气温比地球上低多了。夜里地面气温大致是在零下73度~125度之间。零下100度那是家常便饭。赤道附近气温最高的时候，也就是零上20度，绝大多数地区达不到这个气温。长年以来，火星的环境就是如此。所以，在南北极地区，即便是有水冰，这些冰也从来就没融化过。根据后来大量探测器发回的数据，这些水冰往往含有不少的尘埃，所以颜色也不像地球上冰山，白得耀眼，白得晶莹剔透。而是脏兮兮的，一点也不好看。当然，深层的冰就没什么尘埃，越靠近地表，冰就越脏。

水手7号拍摄的彩色照片

根据现代探测是数据，火星南极的冰盖厚度大概是3公里，北极大概是2.5公里。这个厚度跟地球南极的冰盖其实差不多厚。只是颜色不好看。我们看到的随季节涨落的白色冰雪，那不是水冰，而是二氧化碳构成的干冰。在火星的两极地区，气温可以下降到二氧化碳的凝固点以下，二氧化碳气体会直接出现凝华现象，从气体直接变成固体颗粒，凝结在大地上。在北极的冬天，这种干冰可以积攒到1米厚。夏天到来，这些干冰也就全部升华了。所以火星北极夏天几乎看不到极冠。但是南极就不一样了。南极远比北极冷，冬天积攒的干冰厚度可以达到8米厚。夏天来临，干冰层会变薄，但是不会消失。所以，火星南极的极冠会涨落，但是不会消失。
所以，火星南北极的极冠，其实是覆盖在水冰层上面的干冰层。干冰层有涨落，水冰层从来也没达到融化的温度，因此基本不会有什么变化。当然，我们如果从漫长的地质年代角度来看，火星历史上也并不总是这么寒冷。南北极的冰层也不是短时间内积攒到这么厚的。冰层也是一层一层分层的，每一层都对应着火星气候的变迁，而且火星地轴的摆动，也会影响冰层的发育。
当然啦。火星地表气温普遍都比较低。因此中低纬度地区也有不少的水冰，只不过，不如两极多而已。很多冰雪都被埋在地下，露出来的不多。在中纬度地区也发现过冰川地形，这说明在中纬度地区也曾经出现过很厚的冰川，现在估计是火星地轴发生倾斜，导致原本不够冷的地区变冷了。

水手6号和7号拍摄的覆盖范围

总之，水手6号7号的数据总返回量为640兆。水手6号发回了49张火星远景图像和26张近景图像，水手7号发回了93张远景图像和33张近景图像。近景特写图像覆盖了火星表面的20%。这一次比上次水手4号的成果要丰富多了。可惜这一次仍然是飞掠而过，没有办法长时间观测，要实现刹车减速，进入环绕火星运转的轨道，只有等下一次了。不过这一次倒是利用探测器绕到火星背后的机会，利用地面无线电和探测器之间的通信，探测了火星大气的折射率变化，也就间接测量的火星大气密度的分层。这种做法都是常规操作了。
苏联人还是一如既往的盯着金星，在1970年的8月份，他们发射了金星7号。他们这次是完全学乖了。把冗余做大。着陆器内部加了保温材料，就是为了这个探测器能在金星大气之中多坚持一阵子。壳子用钛合金来制造能够承担180巴的大气压和580度的高温。降落伞的面积也减小了，只有2.8平方米。相当于前几次用的那个引导伞。就是为了探测器快点穿过金星大气，落到金星表面。
这个探测器是1970年的年底到达金星的。12月15号，着陆器从主探测器上分离，进入了金星的夜间大气，先利用金星的大气层来减速，到达60公里的高空，降落伞打开，天线展开，着陆器开始往地球发动无线电信号。6分钟之后，降落伞裂开了。这可不是意外，而是专门的设计，就是为了降落速度更快。29分钟之后，这个着陆器撞到了金星的地面，也就是说着陆成功了。然后就没信号了。这说明着陆器已经摔坏了。

金星7号模型，可以看到降落伞很小

不过苏联人用于记录数据的磁带一直在转，一直没有停。事后，苏联人又从录制磁带里挖出了23分钟的数据。这些信号非常微弱，因为天线歪了，根本没有对着地球方向。前后整个着陆过程之中，天线都是歪的，能解读出来的数据只有温度。不过呢，利用多普勒频移，大家发现，这个着陆器落地之后还弹跳了几次。根据多普勒频移可以计算出速度，也就可以根据速度变化计算出大气阻力，利用大气的阻力，进而反推大气压力。最后得到了金星表面的环境温度475±20°C，气压是90±15巴，和大家的预期是相符的。
当然啦，这个窗口期，苏联人也是连发了两枚金星探测器，只不过后一枚发射失败了。没有获得正式编号罢了。就在1969~1970年间，苏联也是连续发射了好几颗月球着陆器，可惜也没有成功。当时苏联有点走背运，总是发射失败。一直到1970年的9月份，月球16号才发射成功了。

月球16号正在测试

月球15和16几乎是一模一样的，只是月球15发射仓促，最后没能完成任务。苏联人的数学非常强，他们发现了一组地月往返轨道，只要沿着这个弹道走，几乎不用修正。从月球表面起飞就能直接飞回地球，靠地球的引力消除各种误差。但是，这个方案对落月的落点有要求，只能落在月球上东经56度的赤道附近地带。只要算准了时间，从这个位置起飞，可以直接飞回地球。可是这个地区到底是不是平坦呢？要是全是山，全是斜坡，那就够呛了。好在根据月球12号拍摄的照片，这个地方应该是平的。而且这个地方和阿波罗登月的地点不重合，采集的月壤依然有科学意义。

月球15和16号的往返轨迹

月球16号探测器外观比较猥琐。这个探测器是由各种大大小小的球组成的。中间一根柱子比较长，顶头是一个球，柱子底部中间是个大球，一左一右各接着一个球，这两个球是燃料罐。最后飞回地球的就是这么个东西，其他的全扔了。
探测器的底座带一个采样臂，带了一个打孔用的钻机可以钻进地里，获取38厘米长的那么一根岩心样品。然后放进返回舱的样品罐里。采集足够的样品之后，罐子封闭，下一步就是返回地球。
发射这个探测器用的是质子号火箭，运载能力和我国的长征5号差不多。只是这个火箭用的是毒发，也就是偏二甲肼+四氧化二氮。而且这个毒发还是分级燃烧的。性能很不错，可惜可靠性差了点。这一次专门做了改进，在接下来的一年里，连续成功了9次。

月球16号降落过程

月球16号从地球发射，绕着地球转了270度以后就奔着登月轨道去了。这次旅程大约要花费102小时，然后就进入了环绕月球运行的轨道。然后地面测控人员小心地发出指令，让月球16号调整轨道，降低近月点。在9月20号，月球16号进入到着陆过程，发动机开反推运行了270秒，然后就看着月球16号慢慢下降，在距离月球600米高的地方，发动机再次开机减速，一直到20米的高度上主发动机彻底关机。这时候，只靠游机来减速就够了。最后，游机在2米高度上关机，探测器降落到了月球的表面，这是4年来苏联探测器第一次成功的着陆在月球上。
探测器一落地，马上打开了360度全景相机，到底在哪儿下铲子，没有图是不行的。可惜现在太阳已经下山了，当地一片漆黑。原本探测器外边装了泛光灯，可惜泛光灯不亮，不知道哪儿坏了。地面控制人员只能摸黑干活了。最后钻机钻取了35厘米的岩心装进了返回舱里。不是应该钻取38厘米吗？没辙，打洞达到35厘米的深度发现下边太硬，打不动了。那就索性不再继续打了，有35厘米也就够了。

月球16号上升段

完成工作以后，上升段的发动机点火，把返回舱加速到了2.7公里/秒。只要垂直起飞就足够了，这种轨道是经过精心设计的。月球在绕着地球公转，别看现在地球并不在头顶。但是等到返回舱飞回来的时候，地球恰好移动到返回舱的轨迹上，两者恰好相遇。燃料罐烧光了，返回舱和上升段分离。最后回到地球的就是月球16号顶上的那个球而已。
当然啦，苏联这种轨道设计局限很大，地点根本无法灵活选择。没办法，当时自动控制能力有限，只能从月球起飞直接飞回地球，轨道也只能死磕死的，采取不动脑子直接垂直起飞就行的设计。后来我国的嫦娥5号6号选择余地就大多了，自动化水平也完全不一样。我国的取样返回过程几乎和阿波罗登月的流程一模一样。只是送的是岩石样本而不是人罢了。这都是后话了。

返回舱在哈萨克斯坦大草原上着陆，搜寻人员找到了这个球以后，迅速运到了莫斯科的沃尔纳德斯基比较行星学实验室。在一个充满了惰性气体氦的无菌室里打开了这个返回舱。从中取出了101克月球岩石样本。尽管当时美国人已经通过阿波罗11号和12号，从月球上挖回50多公斤的月壤。但是苏联人挖的月壤地点不一样，还是有研究意义的。

月球16号带回的月壤放大特写

苏联人拿出3克样品和美国人做了交换。通过比较苏联获取的月壤和阿波罗12号的月壤样本，大家发现成分是很相似的，都含有玻璃和类似金属的颗粒。
至此，苏联人终于挽回了一点面子，毕竟他们宣称无人探测器比阿波罗飞船的价钱便宜20倍。不过把那些发射失败的也算上，也就便宜不到哪里去了。下一步，他们要发射月球17号，这个探测器究竟有什么不一样呢？我们下回再说。