探測狂暴的火星天氣

張唯誠

目前，我國首個(gè)火星探測器“天問一號”的著陸器與“祝融號”火星車已成功登陸火星，并按照計(jì)劃開展著陸區(qū)地形地貌、氣象環(huán)境分析等工作，為我們更好地了解關(guān)于生命起源中大分子的合成和功能等各方面的問題提供了便利。以下就讓我們來具體了解此次火星探測的任務(wù)之一：

兇猛塵暴肆虐火星

灰塵越來越密，小塊的灰團(tuán)像野火中的煙霧一樣在大氣中旋轉(zhuǎn)，本應(yīng)充滿陽光的正午變得像黃昏，接著又成了黑夜。在不到一周的時(shí)間里，沙塵暴的范圍超過了美國本土面積的2倍，并最終覆蓋了整個(gè)星球。這里不是地球，一場沙塵暴正在肆虐火星。

塵埃對火星天氣的影響，就像水對地球天氣的影響一樣重要。由于沒有海洋，水汽稀少，大氣稀薄，火星上的天氣有半年時(shí)間是平靜的（火星上的一年相當(dāng)于地球上的687天），然而，當(dāng)火星運(yùn)行到離太陽較近的地方時(shí)，塵暴季節(jié)就開始了。

塵暴季節(jié)持續(xù)了約10個(gè)月，在火星南半球相當(dāng)于春季和夏季。這時(shí)節(jié)，相對較強(qiáng)的陽光使大氣變暖，空氣從溫暖的地區(qū)流向寒冷的地區(qū)。大氣流動帶來強(qiáng)風(fēng)，風(fēng)揚(yáng)起沙塵，沙塵吸收陽光，使大氣變得更暖，產(chǎn)生更強(qiáng)的風(fēng)，從而揚(yáng)起更多的沙塵。

這些風(fēng)暴的規(guī)模各不相同，局部風(fēng)暴的持續(xù)時(shí)間可達(dá)3個(gè)火星日（每個(gè)火星日為24.5小時(shí)）。若是全球風(fēng)暴，就可以“吞噬”這顆星球達(dá)數(shù)月之久。

要摸透火星塵暴的脾氣，科學(xué)家們需要有關(guān)火星氣象的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該有助于解釋灰塵是如何被拋入空中并形成行星范圍的風(fēng)暴的，以及是什么讓這種風(fēng)暴能夠持續(xù)數(shù)周或者數(shù)月。然而，盡管經(jīng)過了近50年的研究，火星氣象的一些關(guān)鍵性數(shù)據(jù)仍然缺乏。這些數(shù)據(jù)來自哪里？主要還是火星探測器對火星天氣狀況的探測。

1971年，美國宇航局的“水手9號”火星探測器發(fā)現(xiàn)火星的表面完全被沙塵所遮蔽。這以后，火星的全球塵暴就一直在影響著人類的火星探測行動。2007年，“機(jī)遇號”和“勇氣號”都遭遇了全球塵暴。2008年，一場覆蓋遼闊區(qū)域的塵暴結(jié)束了“鳳凰號”著陸器的探測使命。

火星上的“好奇號”漫游車。照片由“好奇號”自拍于2012 年10 月。

火星上的“好奇號”漫游車。這張照片由“好奇號”自拍于2020 年2 月，與2012 年的自拍照相比，可見火星塵暴環(huán)境對“好奇號”的沖擊。

中國火星探測器“天問一號”的漫游車“祝融號”對火星的溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等進(jìn)行探測。（模擬圖）

幸運(yùn)的是，“水手9號”是環(huán)繞火星軌道飛行的探測器，并沒有著陸計(jì)劃，它只需等待塵暴結(jié)束便可以拍攝火星表面的照片。但是，這場特大塵暴竟然持續(xù)了半年時(shí)間才漸漸平息。

預(yù)報(bào)天氣迫在眉睫

發(fā)射火星探測器，科學(xué)家們除了需要等待大約每26個(gè)月打開一次的發(fā)射窗口外，還要注意探測器到達(dá)目的地時(shí)將面臨怎樣的環(huán)境。這其中最重要的環(huán)境因素是大氣的密度。盡管火星的大氣對火星表面施加的壓力只有地球的1%，但稀薄的火星空氣和火星風(fēng)還是會減緩航天器的速度，并影響它的著陸點(diǎn)。因此，在這種時(shí)候，人們需要預(yù)測火星上的天氣。

通常，工程師們使用過去的數(shù)據(jù)以預(yù)測未來，問題是他們目前可以利用的數(shù)據(jù)比較少，這為火星天氣預(yù)報(bào)帶來了不小的困難。與此同時(shí)，隨著火星探測任務(wù)變得越來越復(fù)雜，特別是考慮到人類會在未來登陸火星，應(yīng)對火星塵暴就顯得格外緊迫了。到那時(shí)，科學(xué)家們會更加迫切地想知道塵暴會在何時(shí)何地發(fā)生，因?yàn)榛鹦腔液苋菀浊秩肴祟惖木幼〉?，堵塞空氣過濾器。假若吸入體內(nèi)，它們還會損害宇航員的肺部，甚至可能攜帶有毒和致癌的物質(zhì)，使宇航員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)罹患疾病。

預(yù)測地球的天氣時(shí)，氣象學(xué)家能夠動用數(shù)千個(gè)地面氣象站，以及來自衛(wèi)星、氣球和飛機(jī)的氣象數(shù)據(jù)。但火星上空只有6顆活躍的衛(wèi)星和2套氣象儀器從火星表面發(fā)回?cái)?shù)據(jù)。其中，一套氣象儀器搭載在“好奇號”火星探測器上，從2012年起開始收集數(shù)據(jù);另一套幾乎相同的儀器是2018年由“洞察號”無人著陸探測器帶往火星的。然而，這2個(gè)探測器實(shí)際上是相鄰的，這對了解整個(gè)火星的天氣狀況來說是一大弱點(diǎn)。

收集數(shù)據(jù)任重道遠(yuǎn)

幾十年來，火星氣象學(xué)家一直試圖對火星風(fēng)進(jìn)行詳細(xì)的測量，但運(yùn)氣總是不太好。只有5次火星地表任務(wù)提供了關(guān)于地表附近風(fēng)速和風(fēng)向的有用數(shù)據(jù)。執(zhí)行這些任務(wù)的探測器，有1976年的“海盜1號”和“海盜2號”、1997年的“探路者號”，還有正在執(zhí)行使命的“好奇號”和“洞察號”。但即使這樣，結(jié)果也不盡如人意。

到目前為止，火星上最好的風(fēng)力記錄仍然是由40年前的“海盜號”火星探測器提供的。原本“好奇號”火星探測器安裝有一對電加熱的吊桿，用來對各個(gè)方向的風(fēng)進(jìn)行直接測量，但“好奇號”的自拍照顯示，在著陸時(shí)，其中一根吊桿損壞了，無法使用。在火星上執(zhí)行任務(wù)的最初的1490天里，“好奇號”只能在風(fēng)迎面吹來的時(shí)候進(jìn)行測量。隨后，在2016年10月，它的第2個(gè)安裝在吊桿上的傳感器也損壞了。研究人員希望能從“好奇號”的溫度傳感器中獲取有關(guān)火星風(fēng)的數(shù)據(jù)，但非常不易。

正因?yàn)槿绱?，最近一波抵達(dá)火星的探測器就特別令人期待，它們都擔(dān)負(fù)著研究火星氣象的使命。阿聯(lián)酋的火星探測器“希望號”將從空中觀測火星天氣。在火星軌道上運(yùn)行一年后，“希望號”收集的數(shù)據(jù)還將有助于繪制一幅關(guān)于大氣如何每天變化及季節(jié)如何轉(zhuǎn)換的火星全年氣候變化的圖像。此外，2021年初登陸的“毅力號”火星探測器也將有所作為，它將對火星上的風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行迄今最為有效的直接測量。

接下來登場的就是我國的“天問一號”火星探測器了?！疤靻栆惶枴被鹦翘綔y器上配置有多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀和地形相機(jī)等設(shè)備。與此同時(shí)，它還擁有一臺火星氣象測量儀，它的任務(wù)就是在著陸區(qū)開展氣象巡視探測，收集有關(guān)火星溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向的數(shù)據(jù)。

在未來的火星探測任務(wù)中，火星氣象預(yù)報(bào)是如此重要，以致于人類的任何一次火星之旅都與之息息相關(guān)?；鹦菤庀笱芯渴侨祟愄綔y火星繞不開的課題，“天問一號”火星探測器將為我國火星氣象研究打開全新的局面。