從地球到火星

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(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，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(guān)于火星人的科幻小說。當(dāng)航天器訪問火星后，人們發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)干燥、無生命、沙漠覆蓋整個(gè)表面的行星。人們之所以重新燃起對(duì)火星探索的欲望，是因?yàn)橛凶C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(cè)火星活動(dòng)的成功率比較低

受天體運(yùn)行規(guī)律的制約，每26個(gè)月才有一次探測(cè)火星的有利發(fā)射時(shí)機(jī)。從1960年10月10日前蘇聯(lián)發(fā)射“火星1960A”探測(cè)器至今，人類共組織實(shí)施了43次火星探測(cè)任務(wù)，成功或部分成功的有22次。中國(guó)計(jì)劃在2020年的首次探測(cè)火星行動(dòng)中，一次實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)目標(biāo)。目前，NASA的火星探測(cè)器引起了公眾的廣泛關(guān)注。

1965年，第一艘抵達(dá)火星的人類航天器——NASA的“水手4號(hào)”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(hào)”發(fā)現(xiàn)了火星上一個(gè)巨大的、休眠的火山。南半球與相對(duì)更年輕的北半球相比，隕石坑更多。

水手4號(hào)拍的隕石坑

1975年，兩個(gè)“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(hào)”著陸火星

“好奇號(hào)”火星車是美國(guó)第七個(gè)火星著陸探測(cè)器，第四臺(tái)火星車，也是四個(gè)漫步火星的火星車中最新的和最大的一個(gè)。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(dòng)力驅(qū)動(dòng)的火星車。

正在火星表面巡視的“好奇”號(hào)探測(cè)器

拍攝于地球上的三代火星車：索杰納號(hào)（前），機(jī)遇號(hào)（左），好奇號(hào)（右）

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

二、從地球到火星需要多長(zhǎng)時(shí)間

因環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，地球與火星之間的距離時(shí)刻發(fā)生變化。為了確定到達(dá)火星的時(shí)間，人們需要計(jì)算地球與火星之間的距離。地球和火星最近點(diǎn)的距離是5460萬(wàn)千米。發(fā)生在近期的最近距離是2003年，兩者相距5600萬(wàn)千米。當(dāng)兩顆行星分別位于太陽(yáng)的兩側(cè)時(shí)，兩者之間距離最遠(yuǎn)，大約為4.01億千米。

從火星表面發(fā)出的光到達(dá)地球的最短時(shí)間大約為3分鐘。對(duì)于航天器來說，到達(dá)火星的時(shí)間主要取決于發(fā)射任務(wù)時(shí)兩顆行星所處的軌道位置，同時(shí)還取決于推進(jìn)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(hào)探測(cè)器，這個(gè)探測(cè)器到達(dá)火星的時(shí)間為942小時(shí)（39天）。

電影《火星救援》里很多技術(shù)的真實(shí)可行性受到廣泛好評(píng)，但美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員認(rèn)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(zhuǎn)站。

三、 特別星球

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

在前人的基礎(chǔ)上，意大利天文學(xué)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(xì)的火星地圖，包括細(xì)紋標(biāo)記，意大利語(yǔ)譯為“channels”，英語(yǔ)版本錯(cuò)誤翻譯為“canals（運(yùn)河）”。

夏帕雷利畫的火星地圖

火星是太陽(yáng)系中的第四顆行星，它的運(yùn)行軌道位于地球和木星軌道之間，與太陽(yáng)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℉）。火星的外部包裹著一層粗厚的巖石，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(gè)巨大的金屬核心。火星的核心主要由鐵構(gòu)成，同時(shí)含有其它化學(xué)元素。

火星有人居住的觀點(diǎn)，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(zhēng)（War of the Worlds）”。精彩的表演使得一些聽眾誤認(rèn)為真的有來自火星的入侵者正在接管地球。

在CBS廣播電臺(tái)正在播音的奧遜·威爾斯

美國(guó)SpaceX公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）表示，隨著科學(xué)技術(shù)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(jì)劃有望成為現(xiàn)實(shí)。他預(yù)言2030年人類將登陸火星，2060年火星表面人口數(shù)量將達(dá)到100萬(wàn)，甚至最終地球人應(yīng)當(dāng)移居至火星。

然而，火星計(jì)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(nóng)作物生長(zhǎng)？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(hù)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(gè)塑料膨脹設(shè)備，像一個(gè)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(xiǎn)者？是太空愛好者、美國(guó)人亦或者是有錢人？誰(shuí)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(xué)視角

英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾（William Herschel）利用對(duì)火星自旋周期的測(cè)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(huì)隨著季節(jié)的不同有所改變。

冬季的冰蓋

當(dāng)行星自轉(zhuǎn)軸傾斜時(shí)，行星表面上的光照量在一年里會(huì)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(gè)季節(jié)的時(shí)間都是地球的兩倍，這是因?yàn)榛鹦枪D(zhuǎn)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(gè)冰蓋的面積會(huì)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(gè)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?yàn)闊o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(fēng)的速度通常約為每小時(shí)10千米，當(dāng)龍卷風(fēng)吹起紅色的沙塵時(shí)，我們觀測(cè)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(xué)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(yáng)風(fēng)“吹動(dòng)”火星大氣

火星上也有很多火山，其中幾座火山在太陽(yáng)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(zhǎng)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(gè)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(xué)家還不能確定這些火山最近一次爆發(fā)的時(shí)間，也許有一億多年未曾爆發(fā)過了。

太陽(yáng)系中最高的火山——奧林匹斯火山

“水手谷”是火星上一個(gè)巨大的峽谷群，在火星赤道附近綿延4000多千米。1971年，美國(guó)發(fā)射的探測(cè)器“水手9號(hào)”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(gè)600千米寬的巨大缺口?？茖W(xué)家們認(rèn)為，在幾十億年前，當(dāng)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(gè)太陽(yáng)系中最大的隕石坑——赫拉斯盆地，它差不多和美國(guó)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。科學(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)隕石撞擊火星形成隕石坑時(shí)產(chǎn)生大量的熱能，這些熱能使火星內(nèi)的冰融化，濕潤(rùn)的泥土被濺到隕石坑周圍。

火星上的隕石坑

當(dāng)火星處于有利位置時(shí)，美國(guó)天文學(xué)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(guó)海軍氣象天文臺(tái)中新建成不久的66厘米口徑折射望遠(yuǎn)鏡，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡當(dāng)時(shí)是世界上口徑最大的折射式望遠(yuǎn)鏡。

美國(guó)海軍氣象天文臺(tái)口徑66厘米的折射望遠(yuǎn)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(gè)頭大，從目前的觀察結(jié)果來看，“火衛(wèi)一”的軌道正在降低，而且逐漸靠進(jìn)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(yuǎn)離火星。

火衛(wèi)一和火衛(wèi)二

1924年，美國(guó)天文學(xué)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(yuǎn)鏡估測(cè)出火星表面的溫度。測(cè)得火星赤道處為7°C(45°F)，極點(diǎn)處為-68°C (-90°F)，并得出風(fēng)和溫度是季節(jié)性變化的結(jié)論。

胡可望遠(yuǎn)鏡

五、發(fā)現(xiàn)達(dá)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(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家。他是介于伽利略與牛頓之間一位重要的物理學(xué)先驅(qū)，是歷史上最著名的物理學(xué)家之一，他對(duì)力學(xué)的發(fā)展和光學(xué)的研究都有杰出的貢獻(xiàn)，在數(shù)學(xué)和天文學(xué)方面也有卓越的成就，是近代自然科學(xué)的一位重要開拓者。他建立向心力定律，提出動(dòng)量守恒原理，并改進(jìn)了計(jì)時(shí)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(guó)天文學(xué)家，火星的兩顆衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)者。年輕時(shí)曾是一名木匠，后來進(jìn)入華盛頓的美國(guó)海軍天文臺(tái)。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(cè)定了土星的自轉(zhuǎn)周期。1879年獲得了英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)頒發(fā)的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?。為了紀(jì)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(tái)工作的美國(guó)天文學(xué)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(gè)發(fā)現(xiàn)推翻了之前的火星像地球的偏頗觀點(diǎn)。

在羅馬神話里，戰(zhàn)神阿瑞斯（Mars），是火星的守護(hù)神。

六、傳奇故事

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

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

火箭發(fā)射故障是第一道難關(guān)。1996年11月16日俄羅斯“火星96”探測(cè)器，因發(fā)射它的“質(zhì)子號(hào)”運(yùn)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(cè)器升空后由于它變軌用的主發(fā)動(dòng)機(jī)無法點(diǎn)火，未能進(jìn)入地火轉(zhuǎn)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(guān)。由于路途遙遠(yuǎn)，火星探測(cè)器對(duì)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(hào)”探測(cè)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(hào)”和“火衛(wèi)2號(hào)”探測(cè)器都在前往火星的途中失蹤。1992年9月25日美國(guó)發(fā)射了“火星觀測(cè)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(shí)在是可惜。

發(fā)射前的“火星極地著陸器”

火星探測(cè)器在火星上的著陸行為相當(dāng)于闖“鬼門關(guān)”，許多火星著陸器因此功虧一簣。1999年9月23日，美國(guó)“火星氣候軌道器”在即將進(jìn)入預(yù)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(hào)”火星探測(cè)器沒能進(jìn)入火星軌道

日本的火星探測(cè)器“希望號(hào)”，由于其電路系統(tǒng)在2003年底受太陽(yáng)風(fēng)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(hào)”著陸器與“火星快車”軌道器分離后，準(zhǔn)備在火星表面著陸時(shí)失蹤了，其原因可能是“獵兔犬2號(hào)”在著陸過程中未能及時(shí)打開降落傘而墜毀在火星表面。

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