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人类进行过哪些火星探测,成功率如何?人类为何要不停地探索火星?

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一文盘点人类火星探测史上所有高光时刻。
一切过往,皆为序章。


火星,可能是日月之外人类最早注意到的天体之一,火红色的整体外观更是让这颗行星格外惹人关注。

古埃及人就曾直接称火星为“红色的那颗”。

古埃及人看火星的假想图。© NASA/Mars in a Minute



红色荧惑

在许多文化里,红色的火星都和“战争、不祥”建立了联系。

中国古人称火星为“荧惑”。早在春秋战国时期,诸子百家的著作中就大量出现了对“荧惑”的记载。“荧惑守心”这一地球和火星角速率不同造成的“弯道超车”视觉现象,被中国古人视为大凶之兆。

荧惑守心,指火星在心宿(天蝎座)附近发生由顺行转为逆行/由逆行转为顺行的过程中停留了一段时间的现象。来源:《武英殿二十四史·史记·宋微子世家》影印版


英文的火星“Mars”则是罗马神话中战神“玛尔斯”的名字,连带着两颗小小的卫星都被命名为Phobos和Deimos,这是希腊神话中战神两个儿子的名字,意为“害怕”、“恐怖”。

火星、火卫一和火卫二。© NASA


描绘火星

十七世纪,望远镜问世。但在此后的三百多年里,人类主要借助火星冲(日地火近似呈一条直线)这样的“自然窗口”才能更清楚地看到火星表面形貌。在每26个月一次的火星冲附近,火星可以达到离地球最近的位置,许多火星表面地图,都是天文学家们基于火星冲时期的观测绘制的。

实际地火最近会发生在火星冲附近而未必是当时,因为地火轨道都不是完美的圆而是椭圆的。动图是2016年火星冲的例子,这次地火最近(closest approach)比火星冲(opposition)晚了8天。© NASA Scientific Visualization Studio [2]


1840年,德国天文学家约翰·海因里希·冯·马德勒和威廉·比尔发布了第一张完整的火星地图,这也是第一张用经纬度标注地球以外行星的地图:火星的0度经线被定义在小型撞击坑艾利-0所在之处。

(左)马德勒和比尔在1840年发布的首张火星全球地图;(右)直径约500米的艾利-0撞击坑,位于直径40千米的艾利撞击坑内部。© MGS MOC [3]


此后三十年间,也有各种版本的火星地图陆续问世,但最终一统江湖的,还是时任意大利布雷拉天文台台长的乔凡尼·斯基亚帕雷利基于1877年火星大冲时期的观测绘制的火星地图。地图中使用的诸多火星典型地貌命名被后人广泛采纳,沿用至今。

乔凡尼·斯基亚帕雷利绘制的火星全球地图和地图中沿用至今的火星地名(红圈),此图相比于原图做了经度显示范围的调整,注意纬度显示是不均匀的,而且范围只在北纬50°-南纬80°之间。修改自:斯基亚帕雷利1877火星地图


似乎一切都在向着越来越好的方向发展,彼时的人类虽然装备有限,但依然在一点一点增进对火星的了解。只是,谁也不知道为啥这路走着走着就走歪了


“运河”迷思

从彼时的权威人士乔凡尼·斯基亚帕雷利开始,一些天文学家认为自己通过望远镜在火星表面看到了越来越多“线性沟槽”。在此后的近百年里,人们开始相信火星表面确实“阡陌交通、沟壑纵横”,这些“沟槽”是火星人为灌溉而建造的“运河”。

到了20世纪初的火星地图中,火星地图已经成了这样。注意,早期的火星地图和如今的火星地图多为南北镜像翻转的,这张也需要南北翻转一下才能得到和上图一致的位置。来源:罗威尔1896-97地图,发表于1905年罗威尔天文台的年志中


于是,这些压根不存在的“火星沟槽”又让人们与火星表面的真实形貌渐行渐远,也让“火星运河”和“火星人”的错误观念一度深入人心。有机会蒙酱再和大家展开聊聊这段“火星运河荒唐史”。

直到探测器时代来临,这些迷雾才终于被无可争议的观测事实所拨开。而我们的故事,就是从这里开始的。


惊鸿一瞥

如果说望远镜的发明“升级”了人类的肉眼,那探测器的登场则为人类的凡胎插上了翅膀。自1960年人类首次尝试发射火星探测器至今,已经发射了44次火星任务,其中18次成功,5次部分成功,成功率大约在50%。

和“想要近距离看清火星”的望远镜时代相似,想要“近距离探测火星”,依然需要等待每26个月一次的“窗口期”,只不过,这次的窗口期从“火星冲”这样“距离上的最近”(观测窗口),变为了让探测器最节省燃料的“能量上的最近”发射窗口)。

每当火星相对于太阳的位置领先于地球44度角左右的时候,从地球发射的探测器经过一个椭圆轨道(也就是“地火转移轨道”)后刚好会在几个月后与火星自然相遇,这样的时机每26个月出现一次。注意,这样的发射时机并不对应于火星距离地球最近的时刻。改编自:NASA


在1964年的火星发射窗口里,NASA一口气先后发射了孪生机水手3号和4号。11月5日发射的水手3号,在发射阶段就遇到了一箩筐问题:探测器没能完全从头锥中弹出、太阳能板没能展开、电池耗尽…最终发射失败。

孪生机水手3号和4号的外形。© NASA


但正是这些问题的发现为弟弟水手4号走向人生巅峰铺平了道路。仅仅在23天后的11月28日,修复了所有已知问题的水手4号顺利发射,又在8个月后成为了人类第一个飞掠火星并传回火星照片的探测器

水手4号共拍摄并传回了22张火星照片,让人类第一次近距离看到了火星表面的样子。它还对火星大气、磁场和空间环境做了初步探测。水手4号的探测结果基本打破了人类对“火星人”的幻想:相比于地球,火星大气稀薄,表面像月球那样撞击坑遍布。这里荒凉而沉寂,没有发现任何支持火星人这样的复杂智慧生命存在的证据。

1965年7月15日,水手4号飞掠火星时拍摄的火星表面照片。© NASA [4]


生死时速

飞掠火星看到的一点惊鸿掠影当然不能让人类满足,环绕火星展开长期探测才能将全球每个角落收入眼底。1971年发射窗口,美国和苏联迎来了激烈的“火星争夺赛”

在短短21天里,美苏相继发射了5颗火星环绕器。最终,NASA水手9号后发先至,率先于1971年11月14日进入环火星轨道,成为人类第一个火星环绕器。自此,人类终于可以驻留在火星附近长期观测了。

“生死时速”——1971火星争夺赛。制图:haibaraemily


水手9号、火星2号和火星3号抵达火星时,好巧不巧正赶上火星全球性的沙尘暴。但水手9号迅速调整了状态,坚持到了沙尘暴平息,最终获得了远优于火星2号和3号探测成果。仅就拍照这一项,水手9号就拍摄了并传回了7329张火星表面照片(相比之下火星2号和3号共传回了60张照片),覆盖了火星表面85%的区域,一举超过了之前所有火星探测器的拍摄总和。


火星运河并不存在▼

使用水手9号数据绘制的火星地图。© USGS [5]


巨大的火山、深长的峡谷、复杂的渠道、熔岩的遗迹、甚至火卫一和火卫二的表面——在水手9号的帮助之下,火星和两颗火卫的大部分面目,终于一一暴露在了地球人的视野之下。火星最壮观的水手峡谷,就是以水手9号命名的。

水手9号拍摄的火星表面和火卫一。© NASA [6]


踏上火星

环绕探测固然能为我们提供火星近乎全球的整体信息,但实地考察的重要性也不可替代。没有什么比真正踏上火星表面,近距离探测火星更让人类心驰神往。

1975年火星发射窗口里,NASA先后发射了孪生机海盗1号和海盗2号(Viking)。每艘海盗号都由环绕器和着陆器组成,环绕器进入环火星轨道飞行了一段时间后才择机释放着陆器。

海盗号着陆器采用了最最传统的降落伞+反冲火箭的着陆方式,和后来的凤凰号、洞察号如出一辙。

海盗号1号/2号轨道器和着陆器。© NASA

1976年7月20日和9月3日,短短一个半月间隔里,海盗1号和2号的着陆器相继踏上火星遥遥相对的两片土地:克律塞平原和乌托邦平原。

海盗1号和2号着陆点。底图:MGS


它们不仅是美国第1、2个成功着陆火星的探测器,也是人类头两个成功着陆火星并顺利开展工作的探测器

第一张在火星表面拍摄的照片▼

1976年7月20日,海盗1号着陆几分钟后拍摄传回。© NASA/JPL-Caltech [7]


第一张火星表面拍摄的彩色照片▼

1976年7月21日,海盗1号着陆器拍摄,红色的表面可能是褐铁矿(水合氧化铁),这种矿物在地球上是水和氧化性大气环境下的产物。© NASA/JPL-Caltech/PIA00563


尽管严格来说,苏联的火星3号才是第一个成功软着陆火星表面的探测器,但非常遗憾的是它在着陆仅20秒后就迅速失联,没能顺利开展探测工作,连拍摄的第一张照片都没能传全乎 [8]。

火星3号着陆器传回的唯一一张“照片”。© 苏联 [8]


没有人知道火星3号着陆器携带的火星车是否成功释放,是否在火星上走上过几步。

有一说一,这个命运不可知的火星车动起来还是蛮灵的:火星车(×)火星狗(√)。来源:SpaceLin [9]


海盗号的两艘环绕器也各自精彩。它们在任务期间拍摄了大量火星以及两颗火卫表面的高清照片,质量远胜于之前的水手9号任务,覆盖率更是高达火星表面积的97%,再一次刷新了人们对火星表面的认识。

由海盗1号环绕器拍摄的102张照片拼接而成,中间可见清晰的水手号峡谷,左边缘可见火星著名地标“三颗纽扣”——塔尔西斯盾状火山群。编号:MG07S078-334SP


海盗号的成功标志着美国在太空竞赛火星赛场上的压倒性胜利,此后,美苏都陷入了长时间的沉寂。


全盛序幕

1996年底,NASA火星全球探勘者号(MGS)环绕器发射成功,次年进入环火星轨道。在长达9年的火星岁月里,这颗探测器取得了诸多令人惊叹的科学成就。

火星全球探勘者号工作的艺术想象。© NASA/JPL


它用激光高度计获取了迄今为止分辨率最高的火星全球地形数据(MOLA),至今仍是各种科学探测和研究的重要参考。

火星全球勘探者号获取的火星地形图,越红越高,越蓝越低。© NASA/MOLA [10]


通过这些地形数据,科学家们让火星北半球低地中许多被掩埋的古老撞击坑和盆地“重见天日”,这意味着火星看似平坦的北部低地其实并不比撞击坑遍布的南部高地年轻,反而更加古老。

火星全球勘探者号(MGS)MOLA地形数据揭示的“隐藏”撞击坑。来源:参考文献 [11]


它发现了数百处流水形成的冲沟,这意味着火星表面可能在不久的过去还有过液态水流动。

火星全球勘探者号MOC相机拍摄的火星表面的冲沟。© NASA/MOC

……


火星全球探勘者号正式开启了这后三十年火星探测的全盛时代。自此,对火星进行全方位、更深入的科学探测成为各国火星探测的核心目标。


火星“飚”车

1997年,火星探路者号着陆器带着人类第一辆火星车旅居者号成功登上火星表面。作为NASA第二届“发现级”项目“成员,“更快、更好、更便宜”是它们的立身之本。

正在被折叠“打包的火星探路者号着陆器和旅居者号火星车。© NASA/JPL [12]


更轻、更小的火星探路者号首次使用气囊来完成降落伞之后的缓冲减速,然后类似我国的嫦娥三号/四号,在着陆成功之后释放火星车旅居者号。

被塞入气囊之中的火星探路者号和旅居者号,在着陆火星的最后阶段借助气囊多次弹跳来实现缓冲,最终安全停留在火星表面。© NASA/JPL [13]


尽管两个着陆任务仅仅工作了三个月(但已超过设计寿命),火星车仅累计移动了约100米,但火星探路者号和旅居者号作为探索火星的“先头部队”为后续NASA的火星着陆任务验证了技术、开辟了道路

石头左边的那个小家伙就是旅居者号,仅重10.5公斤。© NASA/JPL [14]


寻水而来


二十一世纪悄然来临。2001发射窗口里,NASA将环绕器火星奥德赛号送往火星。

火星奥德赛号工作示意图。© NASA/JPL [15]


火星奥德赛号的重大成就之一是它搭载的伽马射线谱仪(GRS)首次在火星上探测到了氢的存在,间接证实了火星地下含有水冰 [16]。

火星奥德赛号的伽马光谱仪测量的火星全球超热中子量分布,越红越高,越蓝越低。因为超热中子被氢原子慢化的效率最高,所以观测到的超热中子量越低就代表氢的富集度(水冰含量)越高,白线划定的区域被认为地表80厘米以下有稳定存在的水冰。图片来源:参考文献 [16]


这艘探测器至今仍在一圈一圈环绕着火星进行科学探测,同时还为火星上的着陆任务提供通讯中继,它是目前为止所有的火星探测器里最超长待机的一个。

火星奥德赛号为着陆任务提供通讯中继示意图。© NASA/JPL [15]


2003发射窗口,欧空局发起了对火星的首次尝试,将环绕器火星快车号和着陆器小猎犬2号送往火星。

火星快车号(三根天线是测地雷达)和小猎犬2号艺术想象。© ESA


火星快车号绝对称得上首战成名,虽然小猎犬2号着陆后失联了,但丝毫不妨碍火星快车号一路开挂的科学发现。

火星快车号搭载的可见光与红外线矿物光谱仪OMEGA在火星表面多处检测出了粘土(也就是水合层状硅酸盐)等水合矿物,表明火星表面在很久以前很可能有大量液态水流过 [17]。

OMEGA探测到的火星水合矿物分布。© ESA/CNES/CNRS/IAS/Université Paris-Sud, Orsay; NASA/JPL/JHUAPL; 底图:NASA MOLA [17]


火星快车号的测地雷达MARSIS更是首次在火星地下发现了疑似液态水湖 [20]。(详见: 这一次,我们在火星找到了冰下湖?)

疑似冰下湖的位置(对应着高反射强度,图中蓝色区域)。来源:ESA和参考文献 [18]


火星快车号眼中冰封世界,宛若仙境▼

水冰覆盖的科罗廖夫撞击坑,由火星快车号的HRSC相机影像和数字高程模型共同生成。© ESA/DLR/FU Berlin


NASA在这个赛季也同样辉煌:孪生机勇气号、机遇号火星车相继成功发射,并在2004年1月相继着陆在火星遥遥相对的古谢夫撞击坑和子午平原,它们的目标是探寻火星上的水

勇气号和机遇号火星车。© NASA/JPL [19]


由于只能通过太阳能板供电,勇气号和机遇号原本的设计寿命只有90天。然而,谁也没有想到,原本被视为灾害的火星尘卷风却时不时帮它们清除了太阳能板上的灰尘,让它们能够活力四射地继续工作了好多年。勇气号和机遇号的探测结果进一步证明火星曾经有过温暖湿润的环境,那时候的火星或许是适宜生命存在的

机遇号发现的“蓝莓”(赤铁矿结核)和石膏脉(水合硫酸钙矿物),均是火星曾有过温暖湿润环境的证据。© NASA/JPL


2007年,NASA凤凰号着陆器发射升空,次年降落在火星北极一带,是目前人类最北的火星着陆任务。凤凰号和后来的洞察号着陆器采用的都是传统的反冲火箭着陆方式,而且两者在外形上也有直接的继承。

过于相似.jpg © NASA/JPL


挖土小能手凤凰号不负众望,很快就在着陆区一带的土壤下挖出了高纯度水冰,堪称“火星有水”的一记实锤

(左)凤凰号工作假想图;(右)凤凰号挖出的水冰,注意左下角新挖出的水冰4个火星日后挥发消失了。© NASA/JPL


火眼金睛

2005年,NASA的另一个大杀器——火星勘测轨道飞行器(MRO)发射升空。它携带的高分辨率相机(HiRISE)为地球人带来了火星局部最高可达0.3米/像素的照片,甚至比许多地球卫星拍摄的地球表面照片都清楚。

MRO工作示意图。© NASA


海量的高清照片不仅让地球人大开眼界,也让诸多更为精细的火星地质研究成为可能,一圈一圈环绕火星持续拍摄的高清照片,更让行星科学家们能够观察到火星表面各种随时间变化的奇特地貌——四时之景不同,而乐亦无穷。

火星,以一种极致清晰的面貌呈现在人类眼前,甚至让科学和艺术都模糊了边界。

HiRISE相机拍摄的火星高清细节。© NASA/JPL/UArizona [20]


HiRISE相机在火星上发现的季节性斜坡纹线(RSL),更是让人们怀疑火星表面直到近期都还有小规模的含盐液态水季节性出没。

牛顿撞击坑中发现的季节性斜坡纹线,不过季节性斜坡纹线是否是液态水所致至今仍有争议。© NASA/JPL-Caltech/UArizona


生命何在?

早在1976年,NASA的海盗号任务就致力于探测火星生命。承载着来自地球人对火星生命的殷切期盼,两艘着陆器都携带了生物实验装置,用于分析火星的气体样品和通过远程采样臂铲取火星的土壤样品。

海盗1号和2号着陆器用于探测火星生命的远程采样臂和生物实验装置。改编自:NASA


令人失望的是,尽管部分探测结果显示出一些疑似生命产物的痕迹,但都没有被科学界广泛采信——海盗号没有得到火星是否存在(过)生命的明确证据。(下期详聊这个~)


三十多年后,NASA的好奇号火星车接过了火炬。2012年8月,好奇号成功着陆于火星赤道一带的盖尔撞击坑中,目标探索远古火星可能的水和生命痕迹

它是彼时人类最昂贵、最先进、也最重的火星车,光是重达900公斤这一项,就让NASA不得不首次启用空中吊车这种着陆火星的“黑科技”。

自此,反冲火箭、气囊和空中吊车成为火星着陆三大法宝。© NASA/JPL [21]


它不仅可以通过拍照等遥感方式远程探测火星表面的形貌成分,

2019年2月3日(第2309个火星日),好奇号拍摄的火星表面。© NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA23139


好奇号的“激光笔”——化学相机ChemCam工作示意图。© NASA/JPL-Caltech


还能在火星上钻孔,直接采样分析火星样本的成分。

好奇号钻孔,直径约1.6厘米,下面那个深6.4厘米。© NASA/JPL-Caltech


尽管自拍狂魔·钻孔小能手·激光笔达人·行走的化学实验室·火星地质学家·好奇号至今仍未发现火星生命的实锤,但它已经在火星上发现了越来越多丰富的复杂有机物和曾经适宜生命生息的环境——这依然给了我们无限希望。(详见: 《科学》杂志:好奇号发现火星远古有机物,我们离发现生命还有多远?)

2018年,好奇号在火星钻孔样品的热分解产物中发现有多种噻吩(C4H4S)类和其他芳香族、脂肪族复杂有机物。© NASA/JPL-Caltech/MSSS


凝视于外

2013和2016年发射窗口,NASA的MAVEN任务和欧空局&俄宇航合作的痕量气体轨道器(TGO)相继前往火星,它们的目标都是探测火星大气。

© Lockheed Martin 和 ESA–D. Ducros


不过,前者的重点在于探索失去磁场的火星是如何逐渐失去大气层的;

© NASA/GSFC


后者则想进一步了解火星大气中的甲烷等痕量气体,帮助我们从另一个角度认识火星上的有机物甚至可能的生命活动。

© ESA/ATG medialab


洞察于内

早在1976年,两艘海盗号着陆器就携带了火震仪,希望借此探测火星的内部结构。但遗憾的是,两个火震仪均未能按计划工作。而这份遗憾,直到四十年多年后的洞察号才终于得到弥补。

2018年,NASA的洞察号着陆器奔赴火星。洞察号携带着火震仪和热流检测仪等仪器,目标是探索火星的内部结构、热状态、自转变化等地球物理性质。火星终于迎来了第一位地球物理学家。

洞察号工作示意图。© NASA/JPL-Caltech


尽管热流检测仪的安装遇到了一些困难,但火震仪已经观测到数百次不同震级的火星震动。洞察号在接下来的时光里,还会继续温柔地聆听火星的心跳,感受火星的体温。


“乘风破浪”

站在2020年这个时点眺望这颗红色星球,这可能是人类有史以来火星探索最辉煌和繁盛的时期。

尽管人类不再急功近利地堆发射数量和频率,但质量更优、分工更明确、也更超长待机的探测器们让今天的火星成为地球以外现役探测器最多的天体,妥妥的C位没有之一。

火星奥德赛、火星快车、火星勘测轨道飞行器(MRO)、曼加里安号、MAVEN、痕量气体轨道器(TGO)、好奇号、洞察号,这么多火星探测器至今仍在工作中,为我们带来源源不断的惊喜。

至今仍在火星上“乘风破浪”的6+2天地组合。© NASA/JPL、ESA-D.Ducros、ISRO


在诸多探测数据的积累之下,如今的我们对火星的认识早已今非昔比。从火星的大气层、表面、到内部结构,从火星过去、演化、到现在——短短六十年里人类火星探测所获得的新知,早已远超过去数千年来人类对火星认识的全部。

火星全球地质图▼

不同色块表示不同的地质单元。© USGS

火星全球重力场分布▼

越红表示越高,越蓝表示越低。© MIT/UMBC-CRESST/GSFC

……


明日辉煌

这份辉煌和繁盛还远远没有结束。

2020年7月,新的火星赛季再次开启。除了 ExoMars二期任务临阵退赛之外,阿联酋的希望号已于7月20日率先出发,中国的天问一号、NASA的毅力号&机智号也将如约起航。已经在火星耕耘良久的6+2天地组合又将迎来新的伙伴。

2020火星赛季的选手们。© CNSA、ESA、NASA、MBRSC

在火星“寻水”的征途已经找到了答案之后,人类似乎又重燃了四十多年前年前对两艘海盗号的期盼:火星曾经有过生命吗?火星现在还有生命么?

甚至更远的,人类何时能采集火星的样品送回地球研究?何时能在火星建立或短期或长久的火星基地?

SpaceX火星基地假想图。© SpaceX

或许这一天已经不远了。


在这条人类前往火星的路上,有过急功近利,有过稳扎稳打,有过高歌猛进,有过黯然离场,有过意料之外的惊喜,也有过幻想破灭的失落…从1960年到2020年,六十年,对一个人类的寿命来说已经足够漫长,但在历史长河中又是如此短暂,不过弹指一挥。

或许千百年后,我们的后代回忆起这段“刀耕火种”的蛮荒探索史时,会有如看着原始人奋力划着木桶想要横渡大西洋。但这份“无知无畏”,却正如火星任务的名字们:勇气、机遇、好奇、洞察、毅力、机智那样,印证着人类这个种族向着星辰大海进发时留下的奋进和不屈的足迹。

雄心勃勃、迎难而上、坚韧执着、不惧失败、永远探索。

这,就是地球人。

© 电影《流浪地球》


致谢

本文感谢Jun Huang、尞祡、古宇的审稿对本文提升所做的帮助~

本文感谢澳门科技发展基金(FDCT 0042/2018/A2)的支持


出品:科普中国 @中国科普博览

制作:haibaraemily

监制:中国科学院计算机网络信息中心


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本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。


参考文献

[1] Brahe, T. (1982). Astronomiae instauratae progymnasmata. apud Godefriedum Tampach.
www5.kb.dk/en/nb/tema/w

mars.nasa.gov/allaboutm

[2] NASA's Scientific Visualization Studio | 2016 Mars Opposition

svs.gsfc.nasa.gov/4465

[3] The Martian Prime Meridian -- Longitude "Zero"

mars.nasa.gov/mgs/msss/

[4] NSSDC Image Catalog | Mariner 4

nssdc.gsfc.nasa.gov/img

[5] USGS | Mariner 9 Mars Map

lpi.usra.edu/resources/

[6] photojournal.jpl.nasa.gov

nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc

nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc

[7] solarsystem.nasa.gov/mi

solarsystem.nasa.gov/mi

[8] Soviet Mars Images

mentallandscape.com/C_C

[9] Советский штурм Марса (1971 год --"Марс-2" и "Марс-3").

youtube.com/watch?

[10] attic.gsfc.nasa.gov/mol

[11] Frey, H. V., Roark, J. H., Shockey, K. M., Frey, E. L., & Sakimoto, S. E. (2002). Ancient lowlands on Mars. Geophysical Research Letters, 29(10), 22-1.

[12] NASA | Making Final Preparations for the Path to the Red Planet

nasa.gov/content/making

[13] Mars Exploration Rover Entry, Descent and Landing on Mars (using airbags)

mars.nasa.gov/resources

[14] NASA | Mars Pathfinder - In Depth

solarsystem.nasa.gov/mi

[15] NASA | Odyssey Orbiter Mission Overview

mars.nasa.gov/odyssey/m

[16] Boynton, W. V., Feldman, W. C., Squyres, S. W., Prettyman, T. H., Brückner, J., Evans, L. G., ... & Englert, P. A. J. (2002). Distribution of hydrogen in the near surface of Mars: Evidence for subsurface ice deposits. Science, 297(5578), 81-85.

[17] Bibring, J. P., Langevin, Y., Gendrin, A., Gondet, B., Poulet, F., Berthé, M., ... & Drossart, P. (2005). Mars surface diversity as revealed by the OMEGA/Mars Express observations. Science, 307(5715), 1576-1581.

sci.esa.int/web/mars-ex

[18] Orosei, R., Lauro, S. E., Pettinelli, E., Cicchetti, A., Coradini, M., Cosciotti, B., ... & Soldovieri, F. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science, 361(6401), 490-493.

[19] mars.nasa.gov/resources

[20] uahirise.org/hipod/

[21] mars.nasa.gov/resources

mars.nasa.gov/msl/space


编辑于 2022-03-03 17:06

2020年7月23日,海南文昌航天发射场。

怒火直冲云霄,光芒划破长空。


长征五号运载火箭搭载着一位特殊的“探险家”冲出地球。

中国,向火星进发。

02.文昌航天发射场天问1号起飞画面,由摄影师现场传送,摄影师@陈肖

200多个地球日后,这位来自中国的“火星探险家”天问1号,将一口气完成环绕火星、着陆火星、巡视火星三大任务,中国人跨越两千多年的天问终于有机会找到答案。

03.天问1号在火星想象图,“天问”系列名称取自屈原所作长诗《天问》,图片源自@央视新闻

此外,在最近的半个月里,相继启航奔赴火星的还有阿联酋的希望号、美国的毅力号。

04.2020年火星“舰队”,制图@郑伯容/星球研究所

如果任务全部成功,成功登陆火星的地球机器人将达到10个。

从第一位机器人登陆火星地表至今已近50年,只不过这些机器人有的已经粉身碎骨,有的则深陷沙地绝望求生,有的虽已饱经风霜,但仍在“坚持战斗”。即便如此,它们仍是现今人类在所有地外行星上最强大的“机器人军团”。

请横屏观看

05.火星着陆器和火星车分布图,制图@郑伯容/星球研究所

如果再加上数量众多的环绕火星飞行的探测器,火星已是“人声鼎沸”。

06.历史上成功的火星环绕器,如果加上环绕失败和掠飞的案例,数量多达37个,制图@郑伯容/星球研究所

如此多的机器人,前仆后继、集聚火星,它们是在筹划一件大事吗?


01、遥望火星

在肉眼观星的时代,地球的夜空中总会有一颗星星,呈现出比周围星辰更加显著的红色,中国古人称其“荧荧如火”,这便是火星。

07.中间偏左下的红色亮星为火星,中间偏右上的蓝色亮星为织女星,摄影师@戴建峰

火星的目视亮度经常发生变化、忽明忽暗,更为诡异的是,它还会在夜空中突然逆行(Retrograde),令人难以捉摸,火星也因此得名“荧惑”。

如果逆行发生在心宿(天蝎座),占星术士们称之为“荧惑守心”,意味着皇帝驾崩或者宰相失位,为大凶之兆。

08.08.2018年4月-11月发生的火星逆行轨迹,摄影师@Tunc Tezel

当天文学步入哥白尼时代,人们逐渐了解太阳系的组成。火星原来是离太阳第四近的行星,位于地球与木星之间。

09.火星在太阳系中的位置示意图,行星间相对距离有所调整,标注@郑伯容/星球研究所

到了望远镜时代,1877年意大利天文学家斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)发现火星地表有许多线条状的地貌,他称这些线条为“沟渠”,但是狂热的大众更愿意相信这些线条正是外星智慧生命开凿出的运河,延续100余年的“火星人”幻想就此拉开帷幕。

10.1996年蒂姆·波顿执导的电影《火星人玩转地球》剧照

而到了航天时代,从1960年起,人类的探测器开始在数千或上万千米处抵近观察,一个更加真实的火星展现在世人面前。

它拥有太阳系最大最长的峡谷之一,水手峡谷(Valles Marineris),长约4000千米,深达7千米,横跨大半个火星,如同被上帝之剑砍削而成。

11.由美国的海盗1号拍摄的水手峡谷,图片颜色有作处理,图片源自@NASA

它拥有太阳系最高的山峰,奥林帕斯火山(Olympus Mons),高度超过2万米,是珠峰海拔的2.5倍。

12.奥林帕斯火山,由火星环球勘测者号测绘的假色地形图,火星没有海拔的概念,山峰高度根据人为设定的基准面计算,图片源自@NASA

更令人兴奋的是,它还拥有宽阔蜿蜒的河床,流水曾在此奔腾而去。

13.欧空局火星快车号拍摄的赫伯斯峡谷Hebes Chasm,这里被认为是流水侵蚀而成,图片源自@ESA/DLR/FU

这意味着,看似荒芜的火星曾经有过湿润的时光。人们禁不住好奇,这些水流是否也曾经孕育出欣欣向荣的生命?

14.海盗1号拍摄的形似人脸的火星丘陵,曾被误传为火星人的形象,实际是光影造成的错视,图片源自@NASA

一块在地球上偶然发现的火星陨石,更是将人们对于火星生命的幻想推向了高潮。这块陨石上,类似细菌的棒状结构,有可能是36亿年前火星上的生命遗存。

15.ALH84001陨石上的结构,被怀疑是微生物活动形成,图片源自@NASA

与地球极为相似的火星,直径约为地球的一半,自转轴倾角、自转周期也与地球相当,差不多的日长、规律的四季交替,不由得让人们遐想,如果太阳系存在地外生命,火星极有可能是其中之一。

16.地球与火星大小比较,制图@郑伯容/星球研究所

但是想要发现火星生命,仅仅在地球上大海捞针捡拾陨石,或者远远地围绕着火星拍照都是不够的,我们必须拿到最直接的证据,最好的办法就是登陆火星。


02、出发,火星

1969年7月20日,宇航员阿姆斯特朗迈出了他的一小步,人类仅仅用了4天时间便从地球登上了约40万千米外的月球。

17.人类第一次登上月球留下的脚印,图片源自@NASA

然而,火星远比月球更加遥远,最近端相距约5600万千米,是地月距离的140倍,最远端更是高达4亿千米,是地月距离的1000倍。

如此巨大的距离变化,造成地球夜空中火星亮度差异显著,距离近则又大又亮,距离远则又小又暗。

18.地球、火星公转与距离关系示意,以及火星观测大小变化示意,制图@郑伯容/星球研究所

同样也是因为这种距离变化,会让火星“看起来”突然逆行。

19.太阳系其它行星也会产生逆行,火星的逆行最明显,制图@郑伯容/星球研究所

在实际航行中,人类还没有任何一个推进系统,可以强大到直接沿着火星与地球的最短距离行驶。我们必须沿着一条椭圆形的轨道,借助地球的公转速度,以最少的燃料损耗将飞船“甩”到火星,这便是著名的霍曼转移轨道。

20.霍曼转移轨道,由德国数学家沃尔特·霍曼发现并命名;地球到火星的转移轨道每隔约27个月才有1-2个月的发射窗口期,今年恰好是7-8月,制图@郑伯容/星球研究所

而通过霍曼转移轨道去往火星仅单程最少需要约7个月,这可比登月的4天长太多了,以20世纪人类尚显稚嫩的航天技术,苏联和美国都不约而同地选择了机器人。

1971年5月19日、28日,苏联接连发射两艘去往火星的探测器火星2号(Mars 2)火星3号(Mars 3),分别携带着陆器,

21.火星3号探测器,上方为着陆器,图片源自@NASA

以及两辆只有4.5千克的机器人Prop-M火星车,如果着陆成功,它将成为漫游火星的第一“人”。

22.Prop-M火星车的双腿由两个滑板构成,可以通过无线电信号远程操控,正前方的金属条可以探测障碍物,图片源自@NASA

1971年11月27日,在经历半年多的星际航行后,火星2号成功进入火星轨道。但不幸的是,此时的火星上,一场行星级的沙尘暴正在肆虐,风速高达26米/秒,火星2号着陆器以每秒6千米的速度一头扎入风暴中。它是第一个到达火星地表的人造物,虽然是以粉身碎骨的方式。

22.2001年一场全球性的火星沙尘暴前后对比,整个星球都被蒙上一层“沙雾”,由哈勃望远镜拍摄,图片源自@NASA

火星3号的情况也不乐观,1971年12月2日,它成功在火星实现软着陆,十几秒后沙尘暴便摧毁了它的通讯系统,从此与地球失去联系,任务失败。

然而就在这十几秒中,它向地球传回了来自火星地表的第一张照片,照片中似乎是火星的地表与天空,但没有任何东西可以清楚辨认。

23.图片源自@Soviet Academy of Sciences

人类早期登陆火星地表的任务几乎全军覆没,但失败的阴霾并没有浇灭科学家对于火星的热情,反而激励着、鼓舞着他们攻克一个又一个科学难题。

1975年8月20日、9月9日,美国的两艘探测器海盗1号(Viking 1)、海盗2号(Viking 2),满载着各种仪器向火星再次进发。

24.海盗号探测器,上方为着陆器,图片源自@NASA

10个月后,海盗1号着陆器开始进入火星大气层,地球上的NASA喷气推进实验室里一片焦灼,没有人知道它的命运如何。20多分钟后,一张高清照片被传至科学家面前,海盗1号“恶作剧”般地对着自己的脚垫区域来了一张局部“自拍”。自拍显示它已经安全抵达,且成像系统工作良好。

25.原图为宽幅照片,下图有做裁剪,图片源自@NASA

随后,越来越多的图像数据以光速飞向地球,伴随着地球人的兴奋、喜悦、惊讶,火星地表的真实面貌被展现出来。

这是一个空旷、贫瘠、乱石遍布的世界,富含铁元素的土壤因为氧化而显得一片橙红,连天空也被浮尘渲染,这就是地球人仰望了成千上万年的红色星球,火星。

26.海盗1号拍摄的火星地表的第一张彩色照片,图片源自@NASA

海盗1号着陆之后,便开始分析火星的土壤,竟然真的检测到了疑似生命活动的迹象!

但随后的分析又表明,火星土壤中并没有任何有机物。矛盾,太矛盾了。

27.海盗1号采样后在土壤中留下的沟槽,图片源自@NASA

与此同时,已安全着陆的海盗2号也得到了同样的矛盾结果,对火星生命的勘察陷入困局。

28.海盗2号工作的乌托邦平原Utopia Planitia,图片源自@NASA

之后,海盗1号、2号着陆器则继续其他方面的研究,直到1980年4月11日,2号着陆器因电池故障失联;1982年11月13日,一次软件更新错误让1号着陆器也陷入了沉寂,彼时的它,已经工作超过六年。

在很长一段时间内,它都是火星地表存活最久的机器人,这一纪录直到约30年后才被一位新的巡游者打破。

29.海盗1号着陆器拍摄的火星日落,图片源自@NASA/Roe van der Hoorn

03、火星巡游

1997年7月4日,一艘全新的探测器登陆火星,火星探路者号(MESUR Pathfinder)。这是一次新技术的全面预演,大型安全气囊被应用于着陆过程。

30.之后勇气号与机遇号也采用了相同的着陆方式,影片《Roving Mars》模拟了全过程,以下同

气囊以14米/秒的速度撞击火星地表,第一次反弹高达15.7米,持续弹跳至少15次。

31.图片源自@《Roving Mars》

当弹跳停止,安全气囊排出气体。

32.图片源自@《Roving Mars》

再像莲花瓣一样打开,着陆器跃然而出,整个过程在数分钟内一气呵成,完美。

33.图片源自@《Roving Mars》

人类的火星车机器人,也在此次登陆中首次成功释放。旅居者号(Sojourner)拥有自主式导航系统,能灵活爬过岩石。相比于之前固定不动的着陆器,它更像是一个活蹦乱跳的“地质学家”,可以四处漫游,寻找有价值的圆卵石和砾岩,后两者都与液态水密切相关。

34.正在勘测岩石的旅居者号,图片源自@NASA

探路者号着陆器工作了83个火星日之后,通讯中断,旅居者号火星车也失去联系。如果它没有损坏,想必还在执行人类提前预设的巡游任务,东看西逛。

35.由探路者号拍摄,旅居者号正在勘测岩石,图片源自@NASA

旅居者号火星车的成功,为更强更大的火星车铺平了道路。2004年1月3日、25日,人类的火星探测史上最著名的机器人双雄出场了,勇气号(Spirit)、机遇号(Opportunity)在大型安全气囊的保护下,相继成功登陆火星。

36-37.模拟图,图片源自@《Roving Mars》

这是两部双胞胎火星车,每辆重达180千克,高1.5米、长1.6米、宽2.3米,携带全景相机、导航相机,以及用于分析岩石、土壤的各种仪器。依靠太阳能电力,火星车可以每小时180米的速度行驶。

38.勇气号/机遇号在火星上的想象图,图片源自@NASA

2004年3月,科学家宣布机遇号在岩石中发现液态水存在的证据。数天后,勇气号发现了盐层,极有可能是一条古湖岸线的遗迹。

39.火星上的著名岩石阿迪朗达克Adirondack,勇气号的研究对象之一,图片源自@NASA

两辆火星车的设计任务时间都只有90个火星日,而实际上它们的工作时长超过6年,它们曾拍摄下辽阔的火星地表全景,

请横屏观看

40.机遇号拍摄的火星毅力谷Perseverance Valley全景,最右侧可见火星车的车迹,图片源自@NASA

也曾沐浴太阳的温暖,

41.火星着陆器在火星上想象图,火星上的平均温度在-60°C左右,图片源自@NASA/James Gitlin

也曾目睹火星“月亮”的升落交替,

42.勇气号拍摄的火星卫星运动,左为火卫二,右为火卫一,图片源自@NASA

也曾回望遥远的地球。

43.勇气号拍摄的火星星空中的地球,这是从月球以外的行星表面拍摄的第一幅地球图像,图片源自@NASA

很快,它们便迎来了新的伙伴。2008年5月25日,凤凰号着陆器(Phoenix)登陆火星,并接连发现水冰、火星降雪。

44.凤凰号着陆过程最后一步的想象图,当着陆器距离地面570米时,反推发动机启动,避免与地面相撞,图片源自@NASA

2012年8月5日,历史上耗资最贵的火星探测项目,火星科学实验室(Mars Science Laboratory),将一辆巨大的火星车好奇号(Curiosity)送上了火星。

45.三代火星车大小比较,左为勇气号/机遇号,下为旅居者号,右为好奇号,图片源自@NASA

因为体型过大,安全气囊无法承载,好奇号的着陆方式再次革新,一架天空起重机(Sky Crane Maneuver)将它悬吊起来、缓缓下降。

46.模拟图,图片源自@NASA

好奇号甫一落地,夹钳即剪断系绳,天空起重机随即飞走。

47.模拟图,图片源自@NASA

现在,辽阔的火星荒原都交给了人类蓬勃跳动的好奇心。

48.图片源自@NASA

它不需要食物,不需要水,也从不感到孤单,甚至非常善于自拍。

49.好奇号自拍照,有意思的是,NASA在发布这张照片时把它的“自拍杆”变没了,图片源自@NASA

2013年9月26日,好奇号发现火星土壤中的水分高达1.5-3%,完全可以满足未来人类移民的需要。2014年12月16日,NASA宣布好奇号在火星岩石中发现了有机物,这些都让许多人相信我们正在接近火星生命的真相。

50.好奇号在岩石上取样后留下的洞,图片源自@NASA

正当人类一步步揭开火星生命神秘面纱的同时,火星上的机器人军团却在逐渐“老”去。2009年5月,奔波了5年多的勇气号深陷沙地、无法移动,但它仍然通过对车轮搅出的泥土进行分析,再次发现火星上曾存在水的证据。

2010年3月,勇气号用尽了最后的勇气,顽强地走过了一生的最后旅程。

51.勇气号陷入沙地的想象图,图片源自@《Death of a Mars Rover》

它的双胞胎兄弟机遇号却格外走运,一场风暴恰好吹净了太阳能电池板上沾满的尘土,它焕然一新、电力充沛,继续下深坑、爬高山、越沙丘、穿平原,四处敲敲打打。

52.被尘土覆盖的勇气号太阳能电池板,机遇号的情况类似,图片源自@NASA

从少年英姿到老骥伏枥,好运一直伴随着机遇号,截至2018年5月8日,它的行驶总里程已达45.16千米,创造了地球外无人探测车的最长移动里程。

正当人们对机遇号抱有更大的期待时,机遇号却意外失联了。

2018年7月“地球呼叫机遇号,听到请回答!”

2018年10月“地球呼叫机遇号,听到请回答?”

2019年2月“地球呼叫机遇号,听到请回答...”

好运这次没能眷顾机遇号,在火星上“存活”了14年的它,容颜被风沙掩埋,身躯在异星消散。

53.机遇号火星“马拉松”旅程示意图,制图@郑伯容/星球研究所

就这样,人类的火星探索从美苏争霸,到美国独领风骚,再到欧空局、俄罗斯以及印度一一加入,当时间来到2020年,终于该轮到中国开启自主探索火星的旅程了。


04、中国来了

近50年的火星地表勘测,成功完成任务的机器人仅仅只有8位,巧合的是它们都来自美国,都使用着英文问候这片土地。

而在2021年,火星上的机器人军团将迎来一个会说中文的新伙伴,天问1号。

54.天问1号着陆器与火星车分离动画想象图,图片来源@央视新闻

但想要用中文向火星问好又谈何容易,美国与苏联经过无数次的尝试,从掠飞到环绕,从着陆到巡视,一步一步才踏上火星,耗时36年。

55.1960-1996年期间发射的火星探测器失败合集,虽然其中有成功的案例,但直到火星探路者登陆火星,才开启了火星的巡游时代,制图@郑伯容/星球研究所

1960-1996年期间发射的火星探测器失败合集,虽然其中有成功的案例,但直到火星探路者登陆火星,才开启了火星的巡游时代,制图@郑伯容/星球研究所

中国的首次自主火星探测,更是要通过一次发射实现环绕、着陆、巡视三大目标,美苏用了36年摸索出的道路,中国要一步走完,如若成功,世界首次。

看似天方夜谭的目标背后,是中国航天几十年的辛勤耕耘。从火箭运载能力的提升,到探月工程的经验积累;从遍布全球的测控网络,到3000多个日夜反复验证,让这看似不可能完成的任务都多增添一份可能。

56.位于北京密云的国家天文台射电观测站,负责航天任务进行实时观测,摄影师@李睿

此外,天问1号的设计师还精心设计了地-空结合的立体探测模式,即太空一个环绕器,地表一个火星车,相互结合、互相验证,对火星的磁场、电离层、大气层、地形地貌、地表物质和地下结构实现全方位的立体化探测。

57.天问1号地-空立体探测地下含水层原理示意图,制图@王申雯/星球研究所

两千多年前,我国著名大诗人屈原抬头仰望满天繁星,不由得发出了疑问“这天上的星星到底是怎么排列的?”这便是《天问》诗篇里的

列星安陈?

这跨越了两千多年的天问,今天的我们终于有能力去火星寻找第一个答案。

明年,我们想要听到那句熟悉的、安心的、有力的,从那遥远火星传来的,

“我已着陆,状态良好”

预祝天问1号取得圆满成功!


全文完,感谢阅读。

创作团队

  • 编辑:黄超
  • 图片:林子轩&余宽
  • 设计:郑伯容&王申雯
  • 审校:云舞空城&王哈勃
  • 封面素材来源:央视新闻&NASA

【主要参考文献】

  • [1]耿言,周继时,李莎,付中梁,孟林智,刘建军,王海鹏.我国首次火星探测任务[J].深空探测学报, 2018,5(05):399-405
  • [2]李春来,刘建军,耿言,曹晋滨,张铁龙,方广有,杨建峰,舒嵘,邹永廖,林杨挺,欧阳自远.中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J].深空探测学报,2018,5(05):406-413.
  • [3]欧阳自远,肖福根.火星探测的主要科学问题[J].航天器环境工程,2011,28(03):205-217.
  • [4](美)罗伯特·卓比林等著;阳曦,徐蕴云译. 赶往火星 红色星球定居计划[M]. 北京:科学出版社, 2018.06.
  • [5](法)弗朗西斯·罗卡尔,(美)阿尔弗雷德·麦克伊文,(法)沙维叶·巴莱尔编著. 火星[M]. 北京:北京美术摄影出版社, 2017.05.


... The End ...

↑一群国家地理控,专注于探索极致世界

编辑于 2020-07-23 15:06

从1960年10月10日当时的“宇宙大佬”苏联第一个向火星发起挑战开始,在火星面前人类可以说是一败涂地,但又“死要面子”不愿承认。

维基百科“火星探测任务”一栏中,有记录的人类探火次数总共为54次,但真正成功的只有24次,成功率仅为44.4%。

其中成功次数最多的无疑是NASA,在总共26次的探火尝试中有20次成功登录,目前还有6台探测器在运作中,其中“机遇号”于2018年不幸“失联”。


至于为什么要去火星?

“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮里”。

未来的星际时代会不会是大航海时代的一次轮回呢?

300多年前的大洋探索之路,带给了欧洲人新的大陆、财富以及权力,未来的火星登陆计划也与此相似,人们对于地球在未来的前景感到不安,迫切寻找下一个家园,于是开启了星际的探索之路,300年前对大西洋的未知恐惧,与今天对宇宙、对火星的感觉几乎一摸一样,人类在不断征服着星辰与大海,开辟更多的家园。

火星是离地球较近且环境最相似的星球,一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。

以往的探测发现了存在水的证据,火星上是否存在孕育生命的条件?

火星是地球的过去还是地球的未来?

这些问题都等待着人类踏上火星才能给出答案。



参与勇气号和机遇号发射的科学家写的《登陆火星》里面有这样一段话:

“ 在另一个星球上找到生命独立起源的证据将是人类最重大的发现之一。假如奇迹只发生过一次,那也许就是纯属偶然,甚至独一无二。但是如果能够证明在同一个恒星系里就发生过两次,再想一想太空中无数的恒星系,那就意味着这个奇迹并非那么不同寻常,而是一个普遍现象。


因此,火星能过帮我们了解我们在宇宙中的地位。如果达到火星,找到生命的痕迹,我们就能够了解生命是否普遍存在的基本知识。而假如到了那里,发现气候曾经一度温暖、湿润、宜居,却没有出现过生命,那我们就可以进一步了解生命起源的必要条件。
假设一下,火星上的确出现过生命的奇迹。在地球上,由于地球形成以来不断经受剧烈的地质运动,生命起源的证据已经不复存在。生命奇迹的发生却是不争的事实----我们自己就是证据。但是,由于地球早期的岩石已经在后来的地质运动中毁掉了,生命起源的线索再也无迹可寻。不过,火星上还有。比起地球,火星要安静的多,地表岩石近一半都有40多亿年的历史。所以,如果火星上也曾有过生命,生命起源的证据就像是一部故事,封存于岩石之中,待人翻阅。"

这段话是我认为是最好的答案。

发布于 2020-08-21 10:37

火星探测其实最好分为美国篇和非美国篇,不然你会真的以为人类各国的成功率都不过是一半左右

发布于 2020-08-16 06:07

有人老嚷嚷着要带领人类去火星移民。可火星真是一个适合孕育智慧生命的地儿吗?水手4号是第一个飞掠火星的人类探测器。它带回的几张“照片”显示火星表面看起来很像月球,一点都不像充满了生机的地球。而且火星的大气浓度远低于预期,只有地球的1%,也根本没有磁场的保护。这一下,大家的幻想全都破灭了……借着天问一号的火星热,听科学史评话的吴京平老师唠嗑唠嗑,那些年那些探测器和火星的或扎心或惊喜的故事……


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如果你喜欢吴京平老师的讲述风格,他的这本书要不要瞅瞅:

发布于 2021-01-14 18:50

火星探索近况一览:

自上世纪60年代以来,人类已发射了数十枚探测器来研究火星。早期的任务是定点飞越,探测器在靠近火星时疯狂地拍摄照片。再后来,探测器进入到了火星周围的轨道。近些年,着陆器和巡视器能够登陆火星地表了。

将探测器送往火星很难,登陆火星地表更是难上加难

火星稀薄的大气层使着陆变得复杂和棘手,超过60%的尝试均以失败告终。迄今为止,美国的探测器成功地进行了八次着陆,是唯一在火星地表着陆并运作的国家。

美国航天局的火星2020探测车进入即将完工 该探测器将是行星探测史上第一个能够在着陆过程中精确地重新定位着陆点的航天器
  • 美国宇航局(NASA)

◎ NASA成功发射水手4号(Mariner 4)探测器,是早期火星探索任务的亮点之一,该探测器于1965年7月飞越火星,在任务期间传回了第一张火星外表的特写照片,呈现给人类除地球之外的陌生世界。

水手4号(Mariner 4)探测器
水手4号在距离火星最近的时候拍摄的火星表面照片

◎1976年,NASA将维京1号(Viking 1)和维京2号(Viking 2)送上了火星,两个探测器分别在相距4000英里的两个地点着陆,在1982年之前一直向地球返回火星的图片。

第一张由Viking 1拍的火星地表全景照片

两个探测器还在火星土壤进行了生物实验,检测火星是否存在生命迹象,但目前尚无定论,科学家们仍然对如何解释数据持不同意见。

◎1996年,NASA发起了“火星探路者”(Mars Pathfinder)任务,第一台可自由移动的“旅居者号”(Sojourner)火星车成功着陆。

火星探路者号着陆器传回的图像被拼接在一起形成的全景图

登陆之后,“旅居者号”火星车部署了一个小型气象站,用立体摄像机扫描周围环境,并检测了岩石和土壤的成分。

◎它的继任者包括“勇气号”(Spirit)和“机遇号”(Opportunity),这两台火星车的探索时间比预期的要长得多,在本世纪10年代被沙尘暴摧毁太阳能电池板之前,它们总共向地球返回了超过100,000张的火星图像。

在被困在沙里之前,勇气号火星车已经运行了7.7公里之后它在原地又工作了一年

现在,NASA有两个探测器正在火星表面活动:“洞察号”(InSight)正在探测火星内部,并且已经发现火星地表会周期性地发生地震。

◎2012年发射的“好奇号”火星车仍在盖尔陨石坑(Gale Crater)附近徘徊,除了拍摄超凡脱俗的自拍照,还研究古老湖床中的岩石和沉积物。

◎2020年7月30日,NASA向火星发射了下一代“毅力号”火星车。“毅力号”是一款大型的六轮火星车,配备了一套精密的仪器。

届时,“毅力号”将在杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)着陆,这是古代三角洲的所在地,早期的生命形式很可能在这里繁衍过。

回到地表后,“毅力号”将研究火星的气候和天气,测试可以帮助人类在火星上生存的技术,并从数十种岩石中收集样本带回地球。

  • 欧空局(ESA)

欧空局(ESA)的首次火星探索之旅始于17年前。2003年6月2日,ESA发射了耗资3亿欧元研制的火星快车号(Mars Express)探测器。

迄今为止,该测探器几乎已经对火星的所有表面采集了图像,并继续返回大量的科学数据,包括火星过去存在潮湿环境的证据。有水的地方,就意味着可能有生命。

火星快车号探测器

在过去的十年中,ESA和Roscosmos(俄罗斯国家航天公司)一直在合作执行一项名为ExoMars的任务,旨在发射一系列探测器弄清火星曾经是否存在生命。

该任务分为两个阶段,第一阶段于2016年成功实施,二者联合发射了重达3.7吨的火星微量气体轨道探测器(ExoMars Trace Gas Orbiter,TGO),绘制出了火星表面最上层的氢原子分布图。

第二阶段将发射一枚巡视器,以著名化学家罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)的名字命名,目标是开采火星地表,寻找生命迹象。
该巡视器原计划于2018年发射,后被推迟到2020年7月。根据外媒最新报道,由于关键测试尚未完成,任务将推迟到2022年。

“罗莎琳德·富兰克林”号火星车组装完毕

2020年3月12日,欧空局局长简·沃纳(Jan Wörner)在新闻发布会上对记者说:“尽管我们真的非常接近准备就绪,但我们不能偷工减料。”

他说:“如果今年发射,那么一些必要的测试就没法完成了。这是一个非常艰难的决定,但我相信这是正确的。”

  • 苏联

苏联在1960年至1988年之间发射了一系列探测器来研究火星。总的来说,其中一些任务取得了部分成功,而其他任务都失败了。

上世纪60年代,苏联至少进行了7次火星探索任务,然而均以失败告终。这些探测器要么在发射过程中遇到故障,无法离开地球轨道,要么在去往火星的途中遭受毁坏。

1971年,苏联分别发射了火星2号和火星3号探测器。火星2号不幸坠毁,火星3号的着陆器登陆火星地表后仅仅过了大约20秒,还没能发回一张完整的照片就永远与地球失去了通信联系。

苏联在1991年底垮台。俄罗斯政府试图继续执行苏联在解体前制定的一系列火星探索计划。在此期间,俄罗斯加大了与美国、欧洲和其他国家合作的力度。

苏联在火星探索这方面可谓是噩运连连,俄罗斯似乎继承了这一点。

1996,俄罗斯发射了火星96号探测器,这是自苏联解体以来的首次星际飞行任务,但该探测器未能离开地球轨道,不久后坠入太平洋。

2011年,俄罗斯福布斯-土壤号(Phobos-Grunt)探测器发射升空后一切顺利,但此后出现探测器的推进装置没有点火的问题,导致其变轨失败。

福布斯-土壤”任务失败后,俄火星探测开始重视国际合作

  • 阿联酋

2020年7月20日,阿联酋“希望”号探测器在日本种子岛太空中心(Tanegashima SpaceCentre)由 H-IIA运载火箭发射成功,开启了任务周期为一个火星年(约为687天)的探索任务。

“希望”号探测器预计于2021年2月抵达火星,届时正值阿联酋建国50周年庆。“希望”号探测器将研究火星的高层大气,并监测两年之内火星的气候变化,绘制不同季节的全球气象图。

阿联酋希望号火星探测器 搭载日本 H-2A 火箭 42 号机发射升空

据阿联酋《海湾新闻报》报道,“希望不仅仅是一个词,它已经成为一枚探测器,承载着我们对火星和其他星球的雄心壮志。”

  • 中国

2020年7月23日,在中国海南岛东北海岸的文昌航天发射场,“天问一号”探测器搭乘长征五号遥四运载火箭顺利升空,这是中国进行火星探索的首次尝试。飞行2000多秒后,探测器成功进入预定轨道,开启了火星探索之旅。

“天问一号”载荷超5吨,是迄今世界最大的行星探测器,由环绕器、着陆器和火星车组成,预计2021年2月左右到达火星轨道。

中国这次火星探索任务将同时实现对火星的“环绕、着陆、巡视”3个目标,即一次性实现绕、落、巡三大计划,将对火星表面形貌、土壤特性、物质成分、大气、电离层、磁场等进行科学探测。

“天问一号”发射时的壮丽场景

澳大利亚昆士兰科技大学的天体生物学家大卫·弗兰纳里(David Flannery)表示:“这是一个由科学驱动的雄心勃勃的使命,代表着中国航天计划取得的的重大进展,他们应该为此感到自豪。”

未来火星探索的方向:

毫无疑问,所有这些探索活动都为将人类送往另一个世界奠定了基础。NASA提出了太空探索时间表,计划在2030年代开展一系列的载人火星探索任务,实现火星登陆。

目前,NASA研发出的Orion太空舱已于2020年3月通过了全部测试,标志着阿耳忒弥斯计划(Artemis program)迈上了新的台阶,该任务的目标之一是使美国男宇航员往返火星。

研发和测试阶段的Orion太空舱

诸如SpaceX之类的私人太空飞行公司也跻身火星探索之列。

SpaceX首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)曾多次表示,人类要生存下去就必须成为“跨行星物种”,他正在执行一项计划,在本世纪末之前将一百万人送到火星上生活。

埃隆·马斯克的计划是将人类送至火星乃至更远的地方

很快,人类可能最终会以某种方式知道,我们邻近的这颗行星曾经是否有生命存在,以及我们地球上的物种在另一个世界是否有未来。

我们迈向深空的步伐不会停止,火星之后,还有木星、海王星……也许有人会问,如此大量的投入,只为寻找一个不确定的目标,值得吗?事实上,航天科技的发展早已悄悄的改变着我们的生活——

“太空服之父”唐鑫源利用高分子吸收体,为航天员解决了排泄问题,发明了吸水1400毫升的纸尿片。后来,它走进了千家万户,变成了我们熟悉的尿不湿;

太空医学的外层覆膜技术,被开发成一种喷发定型摩丝。

为了让航天员在太空中补充维生素而发明了冷冻脱水蔬菜技术,现在最常见的就是方便面的蔬菜包。

冷战时期,美苏两国的航天科技水平节节攀升。从两国层面上来讲,这是大国博弈,军事威慑,但在冷战结束后,大量的航天、军事科技得到了极大地释放,为下一波经济发展提供了长足的动力和基础。

今天,我们正处于一个充满不确定性的世界,太空探索、航天科技,在追寻人类两大终极命题的时候,也为所有人准备一个充满希望的未来。

参考文献:
1] solarsystem.nasa.gov/pl
[2] nationalgeographic.com/
[3] nationalgeographic.com/
[4] astro.if.ufrgs.br/solar
[5] theverge.com/2020/3/12/
[6] bbc.com/news/science-en
[7] nature.com/articles/d41
[8] nationalgeographic.com/


更多火星探索内容,请关注公众号:造就(xingshu100)

发布于 2020-09-27 17:01

从 1957 年开始人类的航天时代目前已经迎来了第一个甲子60 年内人类已经发射了 6000 多颗卫星和探测器其中大约不到 5% 飞出了地球我们用它们来探测这个广袤的宇宙

1957 年首个人造地球卫星斯普特尼克 1 号发射人类对地球乃至对整个太阳系内其他星体的探测正式开始

1959 年第一个探测月球的探测器出发1961 年第一个探测器奔向金星1962 年第一个奔向火星1972 年第一个开始踏上前往木星的旅程1973 年又开始有踏向土星和水星的探测器1977 年我们有了唯一一个未来会探测天王星海王星的探测器旅行者 2 号

1978 年第一个探测彗星的探测器上路1989 年第一个开始奔向小行星2006 年第一个开始飞向冥王星与此同时我们的载人航天也运送了超过 500 位宇航员当然在中国被叫做航天员进入太空有 12 位抵达月球的表面

如果看一看我们人类探测整个太阳系的进展目前无人探测里面对宇宙的探索记录是旅行者 1 号的 210 亿千米那么载人航天大家都很熟悉了它来自于阿波罗登月计划的 38 万千米显然下一步我们需要继续扩展

下一站为什么我们不选择月球

其实月球是我们最稳定的也是最近的一个邻居它陪伴地球已经超过了 40 亿年它的存在对于地球自转的稳定地轴指向的稳定夜间照明四季的变化固体潮汐液体潮汐也就是海洋潮汐等极其重要可以说没有月球就根本不可能有地球生命的今天

1969 年 7 月 20 日 20 时 18 分 4 秒阿波罗 11 号的阿姆斯特朗和奥尔德林成功登陆月球后续当然还有 6 次任务排除掉失败了一次而言总共有 12 位登上月球然后戛然而止为什么其实阿波罗登月是极其昂贵的它前后的总造价高达惊人的 2000 亿美元我已经换算成了今天的价值

它和航天飞机项目国际空间站项目列为人类历史上排名前 3 耗钱的航天项目当然成果上意义斐然它极大地增强了美国在冷战中的领先优势实现了对苏联的压制促进了美国微电子集成电路通讯这些行业的急速崛起也培养了大量的顶级科研人才尤其是促使了 NASA 的成功为在人类航天时代起步阶段就占据领导地位奠定了绝对优势

从这个角度来讲这个钱没有白花

但是月球为什么不再去了

答案其实很简单就是月球其实并没有想象中那么值得探索因为我们几乎没有在那里发现任何有价值的东西

所谓的有用的氦-3 这种特殊的原子也处于完全无法开发的阶段甚至我们目前的技术而言还不如在地球上先攻克核聚变的技术而且送上去第一次宇航员当然有着 12345678 条的意义可是你再送上去一次最多也就开着月球车放一些探测仪器去做一定的研究

但是再往后每一次的价格都是极其昂贵的技术这些东西某种程度来讲就是你达到一定的阶段积累下来就足够了但后来就要考虑到要把它变得成熟要考虑性价比如果同样的东西反复做越往后当然就越不值这也是为什么登月戛然而止

更何况月球本身的体积质量引力都实在太小而且它还受到我们母行星也就是地球的各种影响所以对于人类的宇宙探测而言月球最多只能是我们迈向宇宙的一个跳板作为一个技术上的初步验证到最后我们一定要选择一颗行星作为下一站

如果选择行星为什么我们只剩下火星可以选择

太阳系里面其实有八大行星四颗是像地球一样的岩石质地的行星水星金星地球和火星另外四颗是像木星一样的气态行星也就是木星土星天王星海王星其中有一个叫太阳系宜居带的概念

它的意思是距离太阳的距离是适当的既不远也不近所以可以产生一定的合适温度区间有维持水和生命的可能性那么处在这个区间里就只有金星地球和火星

而处在这个之外的木星及其他七大行星就要首先被排除了它们的体积和质量是巨大的几乎不存在着登录之后再返回的可能因为它们的引力实在太过庞大

而且对于太阳而言由于它们距离过远

编辑于 2024-03-11 17:54

火星是目前太空移民最有可能的目的地人类一直在致力于探寻火星上是否有水因为水意味着生命

图 6.6 帕西瓦尔·罗威尔

我们在游览地球的时候就已经说过水是生命之源正是在液态水的环境中包括蛋白质在内的各种有机大分子才能互相混合进而通过各种化学反应来形成更复杂的结构最终演化成真正的生命体

到目前为止人类还没有发现任何一种生物能在没有水的情况下生存所以人类对火星上是否有水特别感兴趣也就不足为奇了

早在 19 世纪末就已经有人猜测火星上有水其中的代表人物是美国人帕西瓦尔·罗威尔图 6.6

罗威尔是那种典型的人生赢家他出生在波士顿的一个非常富有的家族从哈佛大学毕业以后他花了 6 年的时间经商并赚了不少钱19 世纪 80 年代觉得赚钱没意思的罗威尔弃商从政跑到日本和韩国当了 10 年的外交官

在此期间他以东方文化为背景写了一系列富有异国情调的畅销书这让他于 1892 年当选为美国艺术与科学院的院士借此契机罗威尔结识了很多美国科学界的名流并且发现自己人生的挚爱其实是天文学

1893 年罗威尔回到美国定居1894 年他在亚利桑那州弗拉格斯塔夫市的附近建了一个以自己名字命名的天文台即罗威尔天文台这也是世界上第一个建在高山上的天文台

罗威尔一生中有两大夙愿其中一个是找到火星人在此后的 15 年间他一直用罗威尔天文台的望远镜来观察火星还写了 3 本关于火星的书

在这些书中罗威尔自己脑补了一个特别科幻的画面火星上遍布着纵横交错的运河运河上航行着大量的商船而商船上又有很多忙碌的火星人这些书后来毁掉了罗威尔作为一个天文学家的声誉也让他成了学术界的笑柄

此后半个多世纪的时间里由于无法近距离接触火星上有没有水一直是一个科幻问题

直到 1964 年NASA 的水手 4 号才成功飞越了火星并且传回了第一张火星表面的照片这张照片还被 NASA 作为礼物送给了当时的美国总统林登·约翰逊图 6.7

通过研究水手 4 号发回来的照片科学家们宣布火星的表面很像月球看不到任何存在液态水的迹象因此火星就被人们视为了一个毫无生机的不毛之地

图 6.7 水手 4 号传回的第一张火星照片

但到了 1971 年情况发生了戏剧性的反转NASA 的水手 9 号成功进入了环绕火星飞行的轨道并拍了很多关于火星地表的清晰照片

其中一张照片展示了一个相当独特的地貌看起来像一个被水冲刷而成但现在已经干涸的河谷这个后来被称为斯卡曼德洛斯河谷图 6.8就是火星上曾经存在液态水的第一个间接证据

图 6.8 斯卡曼德洛斯河谷

至于直接证据则要一直等到 21 世纪

编辑于 2024-03-11 17:54
火星已经保留了几十亿年的答案,最终将帮助我们了解自己
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作为太阳系里和地球环境最为相近的行星,火星在过去比现在与地球更为相似。它是如何形成,又如何失去它的水、大气和全球磁场,如何从曾经的湿润环境演变为现在这副寒冷荒芜而干燥的模样,从中我们也有可能一窥某程度上地球未来的某些方面。

行星科学家们对火星感兴趣,因为它在许多方面是一个超级简约版的迷你地球,比起庞大而复杂的整个地球系统,火星更有可能在行星的地质、水文和气候演变上,给出一些有迹可循的答案。

生命科学家们当然也对火星感兴趣,因为我们至今还没有能够排除在火星上存在生命的可能,并且已经找到了不少侧面佐证在火星的过去曾经存在支持生命条件的证据。火星也更有可能于生命如何出现,或者为何不曾出现的答案。

发布于 2021-10-13 14:20· 312 次播放

欧阳自远:目前要把火星改造为人类适宜需要100年到200年

火星知识官介绍:欧阳自远,天体化学与地球化学家,中国月球探测工程首席科学家,被誉为“嫦娥之父”,中国科学院院士、第三世界科学院院士,国际宇航科学院院士,北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院(简称UIC)荣誉院士,中国科学院地球化学研究所研究员,国际院士联合体第一主席。欧阳自远长期从事地球化学、天体化学、比较行星学、地外物体撞击地球诱发生态环境灾变与生物灭绝等研究,其学术成果获得全国科学大会奖、国家与中国科学院自然科学三等与一等奖、中国科学院自然科学一等奖等。

备受瞩目的中国首次自主火星探测任务“天问一号”的发射,正在进行着倒计时。

按照计划,“天问一号”火星探测卫星要一次性实现环绕、着陆和巡视三大任务,这是我国第一次向火星发射的自主探测卫星和火星车,将开启我国行星探测的新征程。

“我们将通过火星卫星、火星着陆器、火星车天地联合探测火星。”一年前,中国科学院院士欧阳自远就在一次论坛上透露了中国火星探测的消息。

欧阳自远是中国天体化学与地球化学家,中国探月工程首任首席科学家,在外界有“嫦娥之父”的美誉。一直以来,他都在参与中国火星探测的计划,且密切关注着相关动态信息。

在火星探测器任务“天问一号”的发射前夕,网易科技拜访并采访了欧阳自远自远院士。采访中,85岁的欧阳自远嗓音浑厚亮堂,在谈到中国航天事业时,不止一次说道,“中国要飞得更远,我们要探测整个太阳系的星辰大海。”

从1960年苏联发射第一颗火星探测器至今,人类历史上探测火星已有四十多次,但成功率仅40%。尽管难度很大,人类为什么还要一次次的进行探测火星?

“首先是大家最为关心的问题:火星上究竟有没有生命?”欧阳自远说,火星探测的首要科学问题,就是期望在探测火星生命活动信息上有所突破;第二是为火星本体科学积累资料;最后是探讨火星的长期改造与未来大量移民的可能性,建立人类第二个栖息地的前景。

对于公众关心的人类是否会移民火星一事,欧阳自远解释,有很多科学家十分担心人类未来的命运,因为我们的地球受到太多的自然威胁,再加上人类自身的一些行为,未来很可能把地球破坏得不能宜居了。所以科学家期望能不能在太阳系里面找到另外一个天体,让它变成我们第二个地球,人类能够大量迁居到上面去。目前看,唯一可能的一个天体就是火星。

改造火星并非天方夜谭,欧阳自远透露,首先要提高火星的表面温度,让冰盖融化,在火星表面保持液态水,并制造出温室效应。然后在上面种一些低等植物,慢慢改变大气,提高温度,让火星温度接近地球。按照现在的科学认识,这个过程大概需要两三百年时间,改造之后人类就可以不穿宇航服在火星上生活了。

在改造火星初期,人类必须居住在密闭的地下或地面舱室中,最好是派机器人上去,发挥它们的智能作用,因为人是没办法做这件事情的,火星表面气压低、寒冷,要穿很重的宇航服工作,呼吸、行动、体力都是问题。

1977年美国航空航天局发射的“旅行者一号”现已飞出太阳系内的日球层边界,它将带着人类的信物——一张带有人类和地球信息的“金色唱片”继续前行,另一航天大国前苏联(现俄罗斯)也早已对金星进行了三十多次的探测,欧洲也不甘落后,相继对金星、彗星、太阳进行了探测,而中国对于太空的探索虽然起步晚但起点高,也早已有了计划。

在欧阳自远看来,登陆月球和火星只是人类探索太空的一小步,火星着陆巡视,小行星探测,火星取样返回,木星及其他行星的穿越,和木星卫星的探测等,这是中国未来十年要完成的任务。

“我们要飞得更远,我们也有能力飞得更远。”欧阳自远说。

以下为欧阳自远院士访谈的部分内容:

网易科技:为什么包括中国在内,各国会不约而同的选择在今年的7-8月实施火星探测计划?

欧阳自远:火星探测是有难度的,不是说你想去就去的。因为地球是太阳的第三个大行星,火星是第四个大行星,大家共同绕着太阳转,有时候地球在太阳这边,火星却在太阳那一头,是很难顺利地到达火星。通过计算,大概26个月有一次时间窗口,从地球发射探测器,经过七个月左右飞行到达火星。今年的七八月正好是窗口期,错过这次发射窗口,就必须26个月后才可能再来一次。

网易科技:这次火星探测我们有哪些任务?

欧阳自远:从长远来看,进行火星探测首先是搞清楚大家最为关心的问题:火星上究竟有没有生命?这也是火星探测的首要科学问题,就是期望在探测火星生命活动信息上有所突破;第二是为火星本体科学积累资料,包括火星大气层的探测,火星地形地貌特征、表面物质组成与分布,地质特征与构造,火星内部结构成分探测等等;三是探讨火星的长期改造与未来大量移民建立人类第二个栖息地的前景。

如果说今年的这次火星探测任务,具体来说,它有六大科学目标:1、火星全球和着陆区地形地貌、物质成分、的探测与研究;2、火星全球和着陆区土壤厚度、成分及其分布;3、火星全球与着陆区次表层地下水体的分布;4、火星重点地区(着陆候选区)的详查;5、火星磁层、电离层、大气层及其气候特征;6、火星物理场(磁场、重力场以及内部结构)探测。

网易科技:中国在火星探测方面一直在努力追赶,您觉得这次我们的探测任务,有哪些是中国特色的?

欧阳自远:我们这次的火星探测任务是“火星轨道器+火星车”组合协同工作,也就是天地联合探测火星,这也我们的特色。其中,火星卫星在天上围绕火星运行,通过环绕遥感探测,可以对火星表面和大气进行综合性全面调查;火星车通过软着陆在地面上运行,巡视探测,可获得着陆区的气象特征、地形地貌、火星地质构造、表面岩石类型、土壤种类和地下水分布等巡视探测数据,为火星资源环境和科学研究提供基础资料。

而其他国家,要么就发一个卫星,要么就发一个火星车,要么发一个着陆器,上面放仪器探测器,你看美国的火星探测计划是借助“好奇号”火星车将一个配有高精度仪器的巨大实验室搬到火星。

网易科技:和探测月球相比,您认为探索火星的意义是什么?

欧阳自远:当代的深空探测已经进入到月球探测是起点,火星探测是重点,小行星探测是热点,木星与木星系探测是亮点的新阶段。火星是太阳系的八大行星之一,在太阳系家族中也是与地球相似程度最高的行星,如:自转轴的倾斜角度,自转周期,一年四季气候变化,古河道、古湖泊的呈现;大气层、电离层和磁层的演化等。火星的起源与演化的研究可以为地球和太阳系的起源与演化提供了有重大意义的科学依据,进一步推动比较行星学和太阳系演化学的发展。

此外,火星生命的探寻始终是火星探测的第一个科学目标,科学家们期望在太阳系内能找到第二个孕育有生命和生命活动的天体。科学家们相继跟踪火星上的水、甲烷,但都没有找到生命活动的痕迹。中国科学家从新近降落的火星陨石中发现,陨石中微细的碳颗粒的碳同位素组成,具有生命来源的特征,证明火星在历史上可能孕育和出现过生命,相继,美国的“好奇号”火星车也发现火星岩石中的有机化合物,表明火星可能曾经出现过生命。科学家们把注意力关注火星的环境宜居性演变的探测与研究。

网易科技:您觉得将来有一天我们会移民火星吗?

欧阳自远:有很多科学家十分担心人类未来的命运,因为我们的地球受到太多的自然威胁,比如说小天体撞、太阳爆发,全球性的火山地震等等,再加上人类自身的一些行为,未来很可能把地球破坏得不能够宜居了。所以科学家期望能不能在太阳系里面找到另外一个天体,让它变成我们第二个地球,让人类能够大量迁居到上面去。目前看,唯一可能的一个天体就是火星。”

网易科技:那是不是移民之前,要对火星上现有环境进行一些改造?

欧阳自远:改造火星并非天方夜谭,几年前,我写过一本科普书叫《再造一个地球》,里面就提到对火星进行改造。首先要提高火星的表面温度,让冰盖融化,在火星表面保持液态水,并制造出温室效应。然后在上面种一些低等植物,慢慢改变大气,提高温度,让火星温度接近地球。按照现在的科学认识,这个过程大概需要两三百年时间,改造之后人类就可以不穿宇航服在火星上生活了。

但在改造火星初期,人类必须居住在密闭的地下或地面舱室中,最好是派机器人上去,发挥它们的智能作用,积极进行各种改造。因为人是没办法做这件事情的,火星表面气压低、寒冷,要穿很重的宇航服工作,呼吸、行动、体力都是问题,所以必须依靠拥有强人工智能的机器人,明确分工、准确高效地协作完成从原料制造到设备搬运、基地建设,再到基地密闭舱环境调控等一系列复杂任务。

我相信,人类一定能够把火星改造成为一个适合于人类居住的星球,以后地球和火星都要变成人类命运共同体的姐妹星。

网易科技:那么除了探测月球和火星之外,我们还有什么样的深空探测计划?

欧阳自远:我们制定了一个长远的计划,要探测整个的太阳系,即火星着陆巡视,小行星探测,火星取样返回,木星及其他行星的穿越,和木星卫星的探测等,这也是我们未来十年要完成的任务。我们要飞得更远,我们也有能力飞得更远。

发布于 2020-07-22 15:23

这主要是有钱,臭显摆。


天文学,用数学描述天文现象,用物理学解释天文现象。

可以回顾一下天文学的发展史。

对于火星逆行的精确计算,是开启现代天文学的钥匙。


逆行,行星绕日周期不同的结果。

参考:《 时间的天文学》:十一. 黄道

。。。。。。省略。。。。。。。。。

黄道在哪里?:太阳是太阳系的中心所有的行星都是围绕太阳公转的,所有行星绕日公转轨道都接近一个平面黄道平面。所以,仰望星空,简单勾勒行星之间(包括月亮)并连线,我们是能简单勾勒出黄道的。现代城市光污染是比较严重的,能看见的星星 (恒星) 已经很少了,由于行星比较亮,被剩了下来。光污染影响我们对星空的观测,但是对于勾勒黄道,就比较方便了。


行星逆行,冲日

在所有和行星有关的天文现象中,行星逆行无疑是最特殊的,也是最有特点的。而行星逆行中,最有特点的就是火星逆行了。是开启现代天文学的钥匙,参考:【 时间,天文学的核心】

这是在半年时间内,每隔5、6天,拍摄一张火星位置照片,然后再合成的火星位置变化照片。我们可以看到火星先是前行,然后又后退,画了个圆,再前行的过程,这就是火星逆行。星空就像是一个静止的背景坐标系(狮子座、巨蟹座、双子座如同背景坐标),只有火星在移动。其实火星和其他星星一样,每天都在东升西落。

火星冲日,逆行

行星冲日:当行星、地球、太阳拍成一条直线时,此时地球和行星距离最近,行星最亮,形成行星冲日的天文现象。而行星逆行就发生在行星冲日前后的一段时间内。

观察火星冲日,由于逆行现象,火星好似3次经过冲日点,那一次是真实的冲日。其实很简单,在我们的实际观测中,正南方扫过火星的时间可以帮助我们判断。太阳、地球、火星拍成一条直线,这一天正南方扫过太阳时中午12:00点,而正南方扫过火星的时间是午夜0:00点,或者说在火星东升西落的过程中,在午夜0:00点时到达正南方最高点的那一天是火星冲日。

为什么会逆行?我们以火星为例,地球绕日公转1周是1年365天,火星绕日公转1周则需要686.971天。换句话说:公转时,火星的角速度要比地球的角速度慢,所以我们会看见火星逆行的天文现象。

下面是木星和土星同时逆行的合成照。这组照片拍摄时,太阳,地球、木星、土星基本排在一条直线上,此时夜空中木星和土星位置很近。(传说中的三星连珠:地球-木星-土星)

  • 火星相邻两次冲日的时间间隔约为779天
  • 木星相邻两次冲日的时间间隔约为400天,
  • 土星相邻两次冲日的时间间隔约为378天,

假想一下(物理学的解释):地球,火星、木星、土星,绕日公转,如同4个赛跑运动员在400米的跑道上进行赛跑。地球1年跑1圈,木星要12年跑1圈,所以当木星跑完1圈,地球已经跑了12全了,几乎每年地球要超过木星一次。而土星就更慢了30年跑一圈。所以木星冲日,土星冲日,几乎每年发生一次。

火星,跑的比地球慢一点,1.9年跑一圈,所以火星冲日间隔时间最长2.13年。

行星大冲,因为行星绕日轨道都是椭圆的,如果行星冲日正好发生在行星轨道近日点,此时行星和地球之间更近一些,相比一般冲日,行星更亮一些。冲日几乎每年都会发生,大冲就要等很长时间了。

行星亮度的变化:由于行星绕日轨道周期不一样,地球和行星之间的距离忽远忽近,所以星星的亮度也会在一定范围内变化。

黄道:观察火星、木星、土星的移动轨迹,基本上是沿着黄道移动的。

合日,东、西大距,凌日

水星、金星,绕日轨道比地球距离太阳更近,称为:地内行星;绕日轨道超过地球的称为:地外行星,火星、木星、土星、天王星、海王星都是地外行星。地外行星与太阳、地球排成一条直线称为:冲日。地内行星和太阳、地球排成一条直线称为:合日。

大距,是指地内行星 (水星金星) 从地球上看上去离太阳最远的一点。东大距,从地球上看距离太阳最远时(水星或金星)在太阳东边。东大距时,可以在黄昏时分的西方地平线上方找到水星、金星(长庚星)。西大距,从地球上看距离太阳最远时(水星或金星)在太阳西边。西大距时,可以在黎明时分的西方地平线上方找到水星、金星(启明星)。

由于行星绕日轨道都是椭圆的。水星的最大距角 (东或西) 在18°~28°之间,而金星的范围为45°~47°之间。根据距角的大小我们可以计算出正南方扫过太阳前、后,正南方扫过内地行星的时间差。这个差值不会大于90°,所以正南方扫过地内行星都是在白天。所以夜晚,在正南方,我们是看不见内地行星的。

凌日,太阳被水星或金星遮挡。

2019-11-11 水星凌日,太阳中间的小黑点
2012-6-5 金星凌日,和太阳黑子

合日,1年之内会发生很多次,这和冲日是类似的,水星、金星、地球绕日公转赛跑。但是凌日,就很少发生了,凌日和日食是类似的。天文学是一门空间科学。

  • 合日,太阳、水星(或金星)、地球排成一条直线,这是我们俯视黄道平面的结果,并不是空间直线。
  • 凌日,需要太阳、水星(或金星)、地球在空间中排成一条直线,因为行星绕日轨道并不是一个平面,所以很难在空间中排成一条直线。

水星凌日,21世纪的100年内会发生14次,2019年11月11日一次,下一次是2032年11月13日。

金星凌日,金星凌日以两次凌日为一组,间隔8年,但是两组之间的间隔却有100多年。前一次金星凌日发生在1874年的12月和1882年12月。21世纪的金星凌日发生在2004年6月8日,另一次发生在2012年的6月6日。而下一次金星凌日则要等到是2117年和2125年。间隔105年。

。。。。。未完。。。。。

原文:《 时间的天文学》:十一. 黄道

发布于 2022-12-26 21:22
火星上发生过什么,为啥它成了竞争焦点,登陆它到底有啥用?
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毅力号已经成功登陆了火星表面,今年五月份我国的天问号也即将登陆火星。

本质上,文明 的进步和消耗能量的速度是成正比的,熵增趋势是不可逆的,而熵增就预示着越来越混乱。

这个过程与漫长的人类文明相比是非常短暂的,因此文明要进化,地球的环境就势必越来越无法居住。

从长远角度看,为了生存移民外星就是一个必然你的选择。

发布于 2021-09-19 16:52· 145 次播放

关于火星探测的过去和现在,前面高赞的答案已经回答的很清楚了,读来受益匪浅。

想表达一下对于"人类为什么要不停探索火星?"这个问题我的看法。

1994年,对于地球而言,是一个很平常的年份,那一年中国被国际上正式承认为有互联网的国家,中国中央国家机关首次招考公务员,三峡工程正式开工......。但是,1994年,对于木星而言,确是一个不折不扣的灾难之年,在这一年里,发生 一件漫长宇宙历史中人类短暂存在时间里前所未见的重大的宇宙事件——苏梅克-列维九号彗星(Shoemaker-Levy 9)撞击木星。

“许多块碎块击中木星后,地球上的观测者看到火球迅速上升,升到很高的空中。即使碰撞地点还处在木星的夜晚之中,火球仍能看得清楚。烟柱升起后,很快变成煎饼式的扁平形状。我们接收到了从碰撞地点传播开来的声波和重力波,还看到最大的碎块使得和地球一般大的一片地区变了颜色。”(摘自卡尔.萨根《暗淡蓝点》,叶式辉/黄一勤翻译)。

苏梅克-列维九号彗星在撞击木星之前,因受到木星强大的潮汐力而分裂为多个小碎块,最大的碎块大小只有几千米,这就造成了比地球还大的疤痕区域。

下面这张图是利用哈勃太空望远镜1994年拍到的木星-彗星图片合同的图片,图片中的彗星一点点点坠向木星……。

1994年 苏梅克-列维九号彗星和木星,图片来源于NASA网站

宇宙中还存在很多这样神出鬼没、横冲直撞的小天体(比如乱入的彗星,奇形怪状轨道的小行星)。只要人类存在的够久,就很大概率会遇上这种规模的撞击。那个时候,移民外太空就是维持人类族群延续的一个很好的选择。火星探测,正是这条路上关键的一环。

或许,很久很久以后的将来,不知道在宇宙中那个遥远的星球的人类的后裔,会万分感激回想起他们久远的祖先——现在的我们,为了成为“跨行星物种”所做的各种不懈努力。

编辑于 2020-07-28 22:04

正好花了点时间整理了一个视频,完整梳理一下人类探索火星的历史,供你参考

发布于 2022-09-18 21:09

成功率约50%

发布于 2020-07-22 12:46