文 聞新 陳鏑 李雅融

從地球到火星

文 聞新 陳鏑 李雅融

在相當一段時間內，人們都把發(fā)現(xiàn)外星人的希望寄托于火星，甚至撰寫了不少關于火星人的科幻小說。當航天器訪問火星后，人們發(fā)現(xiàn)它是一個干燥、無生命、沙漠覆蓋整個表面的行星。人們之所以重新燃起對火星探索的欲望，是因為有證據(jù)證明它曾經(jīng)是有很多水的星球。

火星的環(huán)境地貌圖像

一、為什么人類探測火星活動的成功率比較低

受天體運行規(guī)律的制約，每26個月才有一次探測火星的有利發(fā)射時機。從1960年10月10日前蘇聯(lián)發(fā)射“火星1960A”探測器至今，人類共組織實施了43次火星探測任務，成功或部分成功的有22次。中國計劃在2020年的首次探測火星行動中，一次實現(xiàn)“環(huán)繞、著陸、巡視”三個目標。目前，NASA的火星探測器引起了公眾的廣泛關注。

1965年，第一艘抵達火星的人類航天器——NASA的“水手4號”航天器經(jīng)過距離火星表面，第一次成功飛越火星。拍下了火星南半球的21張圖片，發(fā)現(xiàn)火星的隕石坑很像月亮上的隕石坑。

1971年第一顆火星軌道飛行器“水手9號”發(fā)現(xiàn)了火星上一個巨大的、休眠的火山。南半球與相對更年輕的北半球相比，隕石坑更多。

水手4號拍的隕石坑

1975年，兩個“海盜”飛行器離開地球前往火星，傳回了第一張從火星表面拍攝的圖片，發(fā)現(xiàn)了一條似乎干涸的河床分支。

“海盜2號”著陸火星

“好奇號”火星車是美國第七個火星著陸探測器，第四臺火星車，也是四個漫步火星的火星車中最新的和最大的一個。它于2011年11月發(fā)射，2012年8月成功登陸火星表面，是世界上第一輛采用核動力驅動的火星車。

正在火星表面巡視的“好奇”號探測器

拍攝于地球上的三代火星車：索杰納號（前），機遇號（左），好奇號（右）

“好奇號”之前的三個火星車的情況如何呢？“索杰納號”火星車是第一個火星車，它在1996年探測了克里斯平原，之后被安置在母船附近。孿生火星車“勇氣號”和“機遇號”于2004年到達火星進行探測。

二、從地球到火星需要多長時間

因環(huán)繞太陽運行，地球與火星之間的距離時刻發(fā)生變化。為了確定到達火星的時間，人們需要計算地球與火星之間的距離。地球和火星最近點的距離是5460萬千米。發(fā)生在近期的最近距離是2003年，兩者相距5600萬千米。當兩顆行星分別位于太陽的兩側時，兩者之間距離最遠，大約為4.01億千米。

從火星表面發(fā)出的光到達地球的最短時間大約為3分鐘。對于航天器來說，到達火星的時間主要取決于發(fā)射任務時兩顆行星所處的軌道位置，同時還取決于推進系統(tǒng)的科技發(fā)展程度。從地球發(fā)射的最快的宇宙飛船是新視野號探測器，這個探測器到達火星的時間為942小時（39天）。

電影《火星救援》里很多技術的真實可行性受到廣泛好評，但美國麻省理工學院的研究人員認為，電影里展現(xiàn)的救援路線并非最佳路徑，從地球出發(fā)前往火星的最佳路線，需要利用月球做中轉站。

三、 特別星球

德國天文學家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）計算出了火星軌道的形狀，并得出了行星運動的三大定律。荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）發(fā)現(xiàn)火星每24小時40分鐘旋轉一周，并在1672年發(fā)現(xiàn)了火星的極冠。

在前人的基礎上，意大利天文學家安吉洛·西奇（Angelo Secchi）畫出了火星的第一張有色地圖。之后，1879年，意大利人喬范尼·弗吉尼奧·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）畫出了更加詳細的火星地圖，包括細紋標記，意大利語譯為“channels”，英語版本錯誤翻譯為“canals（運河）”。

夏帕雷利畫的火星地圖

火星是太陽系中的第四顆行星，它的運行軌道位于地球和木星軌道之間，與太陽的平均距離是2.28億千米。火星是一顆比地球冷得多的星球，表面平均溫度約為-60℃（-80℉）?；鹦堑耐獠堪粚哟趾竦膸r石，在這層外殼之下是熾熱的地幔，它的溫度極高，以至于其中的部分巖石都有可能熔化。在地幔以下，也就是火星的中央，是一個巨大的金屬核心?；鹦堑暮诵闹饕设F構成，同時含有其它化學元素。

火星有人居住的觀點，在科幻小說中非常流行。1938年10月30日，奧遜·威爾斯（Orson Welles）根據(jù)赫伯特·喬治·威爾斯（H.G. Wells）的作品，用新聞的方式播出了廣播劇“星際戰(zhàn)爭（War of the Worlds）”。精彩的表演使得一些聽眾誤認為真的有來自火星的入侵者正在接管地球。

在CBS廣播電臺正在播音的奧遜·威爾斯

美國SpaceX公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）表示，隨著科學技術的不斷發(fā)展，人類的火星旅行并非難事，讓人類成為多行星物種的計劃有望成為現(xiàn)實。他預言2030年人類將登陸火星，2060年火星表面人口數(shù)量將達到100萬，甚至最終地球人應當移居至火星。

然而，火星計劃將產(chǎn)生一系列有趣的問題，例如：如何在火星發(fā)現(xiàn)充足的水資源，維持人類日常生活以及農作物生長？火星極地冰蓋存在大量水資源，哪種類型建筑適宜人類生活，保護人類免遭惡劣火星環(huán)境因素影響？如何利用火星土壤制造磚塊是一種房屋建造的解決方案，或者原地安置一個塑料膨脹設備，像一個巨大的充氣帳篷，用于人類生活居住？未來哪些人將成為首批火星探險者？是太空愛好者、美國人亦或者是有錢人？誰將最早登陸火星？

電影《火星救援》劇照。在電影中，猜想人類在2030年可能首次登陸火星。

四、科學視角

英國天文學家威廉·赫歇爾（William Herschel）利用對火星自旋周期的測量，發(fā)現(xiàn)它的軸是傾斜25.2°的。赫歇爾指出火星上冰冠的面積會隨著季節(jié)的不同有所改變。

冬季的冰蓋

當行星自轉軸傾斜時，行星表面上的光照量在一年里會不斷變化。像地球一樣，火星在一年里也有春、夏、秋、冬四季更替。但火星上每個季節(jié)的時間都是地球的兩倍，這是因為火星公轉周期約是地球的2倍。

火星的四季

火星的南、北兩極與地球一樣，常年覆蓋著白皚皚的冰雪。這兩個冰蓋的面積會隨著火星氣候的變化而變化?；鹦潜睒O冠的水冰更多，而南極冠固態(tài)二氧化碳更多。在這里的冬季，南極的冰冠可以蔓延至火星的整個南半球；在夏季，這些極冠又幾乎全部消失。北極冰冠面積的變化，沒有南極冠那么明顯，那是因為無論在冬季還是夏季，火星的北半球總是比南半球寒冷得多。

火星的冰蓋

在火星上，旋風的速度通常約為每小時10千米，當龍卷風吹起紅色的沙塵時，我們觀測到的火星，就像在表面覆蓋上了一層毯子。

火星沙塵暴

火星表面沒有液態(tài)水，科學家們發(fā)現(xiàn)火星上還是存在很多水的，絕大部分都被冰凍在火星兩極，以冰凍的土壤形式存在，也稱為“永久凍土”。并且，火星深處有可能存在大量未知的液態(tài)水。

太陽風“吹動”火星大氣

火星上也有很多火山，其中幾座火山在太陽系中排名非?？壳啊＞拖竦厍蛏舷耐娜簫u的“盾狀火山”一樣，這些火山都非常寬，擁有非常長的斜坡。其中有四座大火山位于塔西斯高地，也就是火星赤道上一個凸起的地方。在這四座火山中，最大的要數(shù)奧林匹斯火山了。奧林匹斯火山高約25千米，半徑約600千米，比地球上最高的珠穆朗瑪峰還要高出兩倍多。目前科學家還不能確定這些火山最近一次爆發(fā)的時間，也許有一億多年未曾爆發(fā)過了。

太陽系中最高的火山——奧林匹斯火山

“水手谷”是火星上一個巨大的峽谷群，在火星赤道附近綿延4000多千米。1971年，美國發(fā)射的探測器“水手9號”首次發(fā)現(xiàn)了它。“水手谷”的峽谷群，最寬處100千米，最深處10千米。在“水手谷”中心有三條大峽谷，形成了一個600千米寬的巨大缺口?？茖W家們認為，在幾十億年前，當火星地殼由于表面張力過大引起分裂，形成了“水手谷”。40億年前，“水手谷”可能還有水在流淌。

火星的傷疤——水手谷

火星擁有整個太陽系中最大的隕石坑——赫拉斯盆地，它差不多和美國的加勒比海一樣大。赫拉斯盆地半徑約2300千米、深約9千米，而地球上最大的隕石坑半徑也只有約300千米。據(jù)分析，火星隕石坑周圍的許多巖石是從隕石坑中濺出來的?？茖W家們認為，當隕石撞擊火星形成隕石坑時產(chǎn)生大量的熱能，這些熱能使火星內的冰融化，濕潤的泥土被濺到隕石坑周圍。

火星上的隕石坑

當火星處于有利位置時，美國天文學家阿薩夫·霍爾（Asaph Hall）發(fā)現(xiàn)了火星的兩顆衛(wèi)星：火衛(wèi)一和火衛(wèi)二，分別命名為“福波斯”（Phobos）與“德莫斯”（Deimos）。他使用的是美國海軍氣象天文臺中新建成不久的66厘米口徑折射望遠鏡，這臺望遠鏡當時是世界上口徑最大的折射式望遠鏡。

美國海軍氣象天文臺口徑66厘米的折射望遠鏡

火星的這兩顆衛(wèi)星的形狀很不規(guī)則，表面布滿了隕石坑。“火衛(wèi)一”比“火衛(wèi)二”的個頭大，從目前的觀察結果來看，“火衛(wèi)一”的軌道正在降低，而且逐漸靠進火星。與“火衛(wèi)一”不同，“火衛(wèi)二”的半徑只有15千米，正慢慢遠離火星。

火衛(wèi)一和火衛(wèi)二

1924年，美國天文學家愛迪生·佩蒂特（Edison Pettit）和瑟思·尼可爾森（Seth Nicholson）使用位于加州威爾遜山的胡克望遠鏡估測出火星表面的溫度。測得火星赤道處為7°C(45°F)，極點處為-68°C (-90°F)，并得出風和溫度是季節(jié)性變化的結論。

胡可望遠鏡

五、發(fā)現(xiàn)達人

克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huyg（h）ens，1629年04月14日——1695年07月08日)荷蘭物理學家、天文學家、數(shù)學家。他是介于伽利略與牛頓之間一位重要的物理學先驅，是歷史上最著名的物理學家之一，他對力學的發(fā)展和光學的研究都有杰出的貢獻，在數(shù)學和天文學方面也有卓越的成就，是近代自然科學的一位重要開拓者。他建立向心力定律，提出動量守恒原理，并改進了計時器。

克里斯蒂安·惠更斯

阿薩夫·霍爾

阿薩夫·霍爾（Asaph Hall，1829年10月15日——1907年11月22日），美國天文學家，火星的兩顆衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)者。年輕時曾是一名木匠，后來進入華盛頓的美國海軍天文臺。發(fā)現(xiàn)了火星的兩顆衛(wèi)星：火衛(wèi)一和火衛(wèi)二。此外，他還測定了土星的自轉周期。1879年獲得了英國皇家天文學會頒發(fā)的金質獎章。為了紀念他，月球表面和火衛(wèi)一南極附近各有一座環(huán)形山被命名為“霍爾”。

杰拉德·柯伊伯

1947年，在威斯康星州耶基斯天文臺工作的美國天文學家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）發(fā)現(xiàn)火星稀薄的大氣層主要由二氧化碳組成。這個發(fā)現(xiàn)推翻了之前的火星像地球的偏頗觀點。

在羅馬神話里，戰(zhàn)神阿瑞斯（Mars），是火星的守護神。

六、傳奇故事

或許是由于火星鮮紅的顏色，有時它被稱為“紅色行星”，并且以羅馬戰(zhàn)爭之神Mars的名字命名。經(jīng)過占星術的占卜，火星是激情、戰(zhàn)斗和欲望的象征。直到17世紀，火星在運動和亮度上的表面的變化一直迷惑天文學家。

探索火星是人類的夢想，然而火星歷來是一個危險的目的地。50多年來，世界各國先后向火星發(fā)射了40多個探測器，但其中約1/2的火星探測器都以失敗告終，為此火星被稱為“探測器墳場”。

火箭發(fā)射故障是第一道難關。1996年11月16日俄羅斯“火星96”探測器，因發(fā)射它的“質子號”運載火箭出現(xiàn)故障而未能踏上征程。2011年11月9日，俄羅斯“火衛(wèi)一土壤”探測器升空后由于它變軌用的主發(fā)動機無法點火，未能進入地火轉移軌道，最終在2012年1月15日墜入地球。

通信聯(lián)系是第二道難關。由于路途遙遠，火星探測器對通信的要求極高，通信故障也是最常見的失敗原因。1962年11月1日，蘇聯(lián)發(fā)射了“火星1號”探測器，它在1963年6月19日飛越火星，但不久就失去了無線電聯(lián)系。1989年，蘇聯(lián)“火衛(wèi)1號”和“火衛(wèi)2號”探測器都在前往火星的途中失蹤。1992年9月25日美國發(fā)射了“火星觀測者”軌道器，在1993年8月21日，即將切入火星軌道之前失去通信聯(lián)系，實在是可惜。

發(fā)射前的“火星極地著陸器”

火星探測器在火星上的著陸行為相當于闖“鬼門關”，許多火星著陸器因此功虧一簣。1999年9月23日，美國“火星氣候軌道器”在即將進入預定軌道前燒毀，原定于同年12月3日在火星著陸的“火星極地著陸器”也下落不明。

日本“希望號”火星探測器沒能進入火星軌道

日本的火星探測器“希望號”，由于其電路系統(tǒng)在2003年底受太陽風暴的影響而出現(xiàn)故障，未能切入火星軌道而告失敗。

2003年12月，歐洲“獵兔犬2號”著陸器與“火星快車”軌道器分離后，準備在火星表面著陸時失蹤了，其原因可能是“獵兔犬2號”在著陸過程中未能及時打開降落傘而墜毀在火星表面。

雖然人類在探測火星的道路上磕磕絆絆，但是人們探測火星、探測深空的科學試驗不會停歇，挑戰(zhàn)火星依然是人類并不遙遠的美麗理想。