火星探測(cè)窗口期 多國(guó)發(fā)布“追星”計(jì)劃

7月23日12時(shí)41分，我國(guó)在海南島東北海岸中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器，邁出了我國(guó)行星探測(cè)第一步。

那么，地質(zhì)學(xué)家對(duì)我國(guó)即將開(kāi)啟的火星探測(cè)有著怎樣的期待？記者采訪(fǎng)了中國(guó)工程院院士、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院趙文津研究員及其科研團(tuán)隊(duì)——

火星探測(cè)窗口期 多國(guó)發(fā)布“追星”計(jì)劃

“地質(zhì)學(xué)是與開(kāi)展深空探測(cè)關(guān)系最為密切的基礎(chǔ)性學(xué)科之一?！痹缭?005年，趙文津便與多位同事從行星地質(zhì)的角度關(guān)注深空探測(cè)、思考研究月球與火星的相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題。在他的倡議下，自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織開(kāi)展了月球遙感地質(zhì)、月球重力場(chǎng)、月球編圖、月球與火星實(shí)驗(yàn)場(chǎng)選址研究、微型鉆機(jī)研究等工作，取得了重要進(jìn)展。

他認(rèn)為，一系列重要地質(zhì)問(wèn)題既是火星探測(cè)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，也是探測(cè)的目標(biāo)，而更加廣泛的行星地質(zhì)研究，則是人類(lèi)更多地了解地球自身演化以及與鄰近星球相互關(guān)系的鑰匙。“研究火星等類(lèi)地行星，有助于思考地球有關(guān)的環(huán)境、資源及災(zāi)難等重大科學(xué)問(wèn)題。”

趙文津科研團(tuán)隊(duì)成員楊宏偉博士告訴記者，人類(lèi)對(duì)于火星的探測(cè)始于1960年，到目前為止，人類(lèi)實(shí)施的火星探測(cè)活動(dòng)已達(dá)50次，其中，21次成功進(jìn)入火星軌道、15次成功登陸火星，而成功開(kāi)展實(shí)地調(diào)查的僅為10次，最近的一次是2018年5月5日發(fā)射、11月27日著陸的美國(guó)“洞察”號(hào)。

基于數(shù)十年的探測(cè)數(shù)據(jù)和影像，人們已對(duì)火星的基本地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、表面及次表面巖石礦物、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、大氣成分及變化等有了初步的了解。

比如，火星地貌最突出的特點(diǎn)是南北半球的強(qiáng)烈對(duì)比：北方是被熔巖填平的低矮平原，南方則是充滿(mǎn)隕石坑的古老高地，最大的撞擊盆地為海拉斯坑，直徑達(dá)2300千米；赤道附近有薩希斯盾形火山區(qū)、水手大峽谷、艾麗斯米火山群；南北極有以干冰和水冰組成并呈旋扭形狀結(jié)構(gòu)的極冠；整個(gè)星球表面由沙丘地貌、侵蝕沉積地貌和流體沖刷與沉積地貌組成。

從火星北極上空看Borealis盆地的影像 楊宏偉供圖

再比如，火星的火山和地球上的不太一樣，除了重力較小使盾形火山能長(zhǎng)得很高不易崩塌之外，因缺乏明顯的板塊運(yùn)動(dòng)，火星內(nèi)部的熱量只能集中從以熱點(diǎn)分布的火山釋放，熔巖的不斷堆積也使火山越來(lái)越高。海拔約22千米的火星最高峰——奧林帕斯盾形火山就是由于大量熔巖噴發(fā)層疊堆積而形成的。

然而，這顆紅色星球的更多奧秘還并不為人所知。

“在今年7月下半月開(kāi)始的短短幾周時(shí)間內(nèi)，是發(fā)射火星探測(cè)器的窗口期。此時(shí)，地球與火星之間的距離最短，如果發(fā)射探測(cè)器，大約7個(gè)月之后就可抵達(dá)火星。”趙文津告訴記者，“這一窗口時(shí)間相隔26個(gè)月。如果錯(cuò)過(guò)這次機(jī)會(huì)，就要等2022年的下一個(gè)窗口期?！?/p>

也正因?yàn)槿绱耍衲甑幕鹦翘綔y(cè)尤為熱鬧，美國(guó)、中國(guó)、阿聯(lián)酋等多個(gè)國(guó)家都公布了火星探測(cè)器發(fā)射計(jì)劃。

按照之前美國(guó)宇航局公布的計(jì)劃，美國(guó)新一代火星探測(cè)車(chē)“毅力”號(hào)（Perseverance）將于7月30日發(fā)射，并預(yù)計(jì)在2021年2月降落在杰澤羅隕石坑的著陸點(diǎn)?！耙懔Α碧?hào)將搭載X射線(xiàn)熒光譜儀、紫外拉曼光譜儀、測(cè)地雷達(dá)、鉆頭等一系列先進(jìn)科學(xué)儀器，重點(diǎn)搜索古代生命存在的跡象，在巖石和土壤中鉆取樣本，測(cè)試從火星大氣層中提取氧氣的實(shí)驗(yàn)裝置，并釋放人類(lèi)首架火星直升機(jī)——“機(jī)智”號(hào)小型自動(dòng)旋翼飛行器，測(cè)試火星大氣層能否支持飛行。

阿聯(lián)酋的“希望”號(hào)火星探測(cè)器已經(jīng)于7月20日發(fā)射升空，預(yù)計(jì)2021年第一季度抵達(dá)火星軌道。其主要任務(wù)是研究火星大氣和環(huán)境，以及火星液態(tài)水消失的原因。

我國(guó)的火星探測(cè)器由長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，2021年到達(dá)火星后一次性完成“繞、落、巡”三大任務(wù)，即探測(cè)器先圍繞火星運(yùn)行探測(cè)火星的整體概況，然后釋放登陸器在預(yù)定著陸點(diǎn)降落，之后登陸器釋放火星巡視車(chē)，對(duì)火星表面重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行巡視勘查。

選擇最佳著陸點(diǎn) 瞄準(zhǔn)火星關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題

在多國(guó)掌握發(fā)射、測(cè)控、入軌、登陸火星能力的情況下，獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新的認(rèn)知是國(guó)家綜合實(shí)力最有顯示度的內(nèi)容和標(biāo)志。

據(jù)介紹，長(zhǎng)期以來(lái)，人們最為關(guān)注的是火星上是否存在生命。因?yàn)?，火星與地球的相似性高，使之被認(rèn)為是太陽(yáng)系中除地球外最可能存在生命的星體。但是，到目前為止，仍沒(méi)有確切證據(jù)證明生命曾出現(xiàn)在火星地質(zhì)歷史中。所以，重新審視生命存在的條件以及火星歷史上是否可能存在生命存在的條件，成為當(dāng)前火星生命探測(cè)的另一種思路。

趙文津認(rèn)為，選擇好著陸點(diǎn)有著至關(guān)重要的意義。“一方面是考慮降落條件，確保登陸的成功幾率；另一方面則與火星探測(cè)行動(dòng)的科學(xué)目標(biāo)密切關(guān)聯(lián)?！?/p>

據(jù)楊宏偉介紹，在已成功登陸的火星探測(cè)器中，“鳳凰”號(hào)降落在靠近北極的地方，并首先在北極的次表層發(fā)現(xiàn)水冰；“海盜2號(hào)”選擇在北緯50°附近著陸，在火星表面直接開(kāi)展土壤、巖石樣品分析，不僅發(fā)現(xiàn)火星上存在大量的玄武巖和硫酸鹽類(lèi)礦物，還發(fā)現(xiàn)火星歷史上曾存在大量水；“好奇”號(hào)和“洞察”號(hào)的著陸點(diǎn)都在艾麗斯米火山省南部的赤道附近，“好奇”號(hào)發(fā)現(xiàn)了硫、氮、氧、磷、碳等生命必要元素，火星大氣中甲烷周期性增加的規(guī)律，以及古代河流的證據(jù)；“洞察”號(hào)重點(diǎn)了解了更深層地震波速度變化、隕石撞擊頻度，以及火星內(nèi)部活動(dòng)情況；另外，包括2臺(tái)火星車(chē)在內(nèi)的5臺(tái)探測(cè)器則集中在水手大峽谷等多個(gè)峽谷谷口的大型沖積扇地帶。

“好奇”號(hào)著陸點(diǎn)地面顯示的成層巖層 楊宏偉供圖

趙文津表示，許多有重大科學(xué)意義的地區(qū)都可以在未來(lái)的探測(cè)行動(dòng)中著重考慮，如西部薩希斯大火山巖省、年代最新的奧林帕斯火山區(qū)、亞馬遜大平原、水手大峽谷、南半球的大型海拉斯盆地，以及從未探測(cè)過(guò)的南北過(guò)渡帶深部和南極地區(qū)。

在一份建議中，趙文津和楊宏偉分析提出了未來(lái)任務(wù)5個(gè)可供參考的著陸點(diǎn)及其科學(xué)目標(biāo)：

——烏托邦平原區(qū)及四周，著重推動(dòng)地下水冰探測(cè)。

——薩希斯大火山巖省南部布格負(fù)異常區(qū)，著重了解噴出的火山巖巖性和年齡及火山噴出殘留氣體等。

——水手大峽谷附近，了解巖石巖性剖面與裂谷張裂的機(jī)理，探討深部巖漿活動(dòng)、巖性和年齡。

——海拉斯盆地，以盆地為中心進(jìn)行探測(cè)。

——奧林帕斯山等年輕火山區(qū)的河口地帶，轉(zhuǎn)換思路探尋生命存在的遺跡。

火星探測(cè)與地球上的探測(cè)手段相同，均為重點(diǎn)地區(qū)探測(cè)研究與區(qū)域性的綜合調(diào)查相結(jié)合?！拔覀兊刭|(zhì)科學(xué)工作者應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)適用于火星自然條件下的地質(zhì)調(diào)查技術(shù)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)深空探測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)研究。”趙文津強(qiáng)調(diào)。

火星地質(zhì)調(diào)查 六大科學(xué)熱點(diǎn)有待深化

道阻且長(zhǎng)，行則將至。

趙文津認(rèn)為，火星地質(zhì)有6大科學(xué)研究熱點(diǎn)有待深化和擴(kuò)展：

一是水的問(wèn)題。

水，作為生命之源，始終是各國(guó)火星探測(cè)和研究的重要對(duì)象之一。那么，火星水是否存在？如果存在，其經(jīng)歷了怎樣的演化歷史？

火星極區(qū)水冰的存在、鹽類(lèi)礦物的分布、沖擊地貌、沉積環(huán)境，以及在非高緯度地區(qū)的地下發(fā)現(xiàn)的大量液態(tài)水，都說(shuō)明了火星表面曾經(jīng)有大量水覆蓋地表。一要就已發(fā)現(xiàn)水冰存在的地區(qū)進(jìn)一步證實(shí)其為水冰或是其他地質(zhì)因素引起的現(xiàn)象；二要研究火星的水去了哪里？為什么會(huì)消失？地球上的水未來(lái)是否也會(huì)消失？三要著手研究極區(qū)的冰帽，了解其發(fā)生、發(fā)展、變化情況。

二是火星的大氣。包括大氣成分和結(jié)構(gòu)特征、火星的氣候變化等。

火星大氣結(jié)構(gòu)特征、循環(huán)機(jī)制等仍是主要科學(xué)問(wèn)題。火星大氣的揮發(fā)過(guò)程、二氧化碳的來(lái)源及演化過(guò)程、甲烷的來(lái)源等，都是目前關(guān)注的熱點(diǎn)。

三是火星生命。也就是過(guò)去和現(xiàn)在是否有生命存在的可能性，以及火星環(huán)境的宜居性研究。

從地球生命角度來(lái)說(shuō)，火星地表溫度與晝夜溫差變化為生命的存在提供了可能。然而，至今火星的探測(cè)者們只發(fā)現(xiàn)了碳的有機(jī)分子、水存在的痕跡和地表黏土等現(xiàn)象，沒(méi)有直接證據(jù)證明火星上曾經(jīng)存在生命。而大氣甲烷、歷史上的溫暖氣候、太陽(yáng)風(fēng)的輻射作用，以及一些地段出現(xiàn)的高氯酸鹽類(lèi)強(qiáng)烈氧化劑等，都對(duì)生命的產(chǎn)生和存在不利。目前，美國(guó)正著力在幾個(gè)古老的火山巖區(qū)的大型峽谷口大面積沖積扇地區(qū)進(jìn)一步探尋生命存在。

四是火星的地表成分、巖性特征和地質(zhì)地貌特征。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局依據(jù)多次火星探測(cè)的資料編制了一張小比例尺的火星地質(zhì)圖，但是重點(diǎn)地區(qū)需要有更多了解。“如在地表以玄武質(zhì)火山巖為主的地區(qū)，發(fā)現(xiàn)了輝石、橄欖石等礦物，鹽類(lèi)礦物的大面積分布也很突出，這也是我國(guó)建立青海大浪灘火星實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的緣由。下一步，可以重點(diǎn)探究奧林匹斯山、水手大峽谷側(cè)壁出露巖層、海拉斯坑底部等的巖性和年代，并加強(qiáng)對(duì)火星殼巖性、年代、熱狀態(tài)的探測(cè)，以便深化認(rèn)識(shí)，并向深部推演。”

全火星地質(zhì)及巖性特征圖 楊宏偉供圖

五是火星殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

通過(guò)火星布格重力場(chǎng)可以了解火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，但是還需要有其他數(shù)據(jù)對(duì)重力分層和深度的控制，所以很需要有地震探測(cè)數(shù)據(jù)和各大區(qū)域的典型地質(zhì)斷面的建立。美國(guó)已在月球上安設(shè)了6個(gè)地震臺(tái)，取得了十分可貴的深部分層數(shù)據(jù)，而2018年發(fā)射的“洞察”號(hào)火星探測(cè)器也承擔(dān)了地震探測(cè)的任務(wù)——安裝了一臺(tái)地震儀和一臺(tái)熱流計(jì)，開(kāi)始了對(duì)火星深部結(jié)構(gòu)的探測(cè)。如果火星深部存在分層現(xiàn)象，說(shuō)明火星的演化的程度已進(jìn)了一步，那火星殼、幔、核的結(jié)構(gòu)和成分特征如何？這些都需要進(jìn)一步探究。此外，還需要對(duì)火星磁場(chǎng)特征和產(chǎn)生原因進(jìn)行研究解譯，因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)的來(lái)源反映了地球地質(zhì)歷史中內(nèi)核的形成和進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。

六是火星火山特征及熱狀態(tài)和演化歷史、隕石撞擊頻率及其影響。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，火星表面溫度在最大照度下赤道為17℃，極區(qū)降至-43℃，一個(gè)點(diǎn)上晝夜溫差可達(dá)到51℃，比月球的溫差要小。而火星三大火山巖省分布的眾多火山口，可能存在深部物質(zhì)，加強(qiáng)相關(guān)探測(cè)和研究，很有可能由此揭開(kāi)“火星體溫”的秘密，了解火星現(xiàn)在熱狀態(tài)及其熱演化歷史。

趙文津認(rèn)為，作為我國(guó)邁向火星乃至更加遙遠(yuǎn)太空的第一步，這對(duì)了解行星具有更加重大的意義?！拔覀兿Ｍ诟鞣N技術(shù)越來(lái)越成熟的背景下，天問(wèn)系列能幫助人類(lèi)獲得更多來(lái)自火星的第一手資料，真正開(kāi)啟火星地質(zhì)調(diào)查和深化認(rèn)識(shí)的新階段。但任何科學(xué)目標(biāo)都不可能一蹴而就，就像‘天問(wèn)’之名，表達(dá)的便是一種堅(jiān)韌執(zhí)著的科學(xué)精神——對(duì)自然和宇宙的探索征途漫漫、永無(wú)止境?！?/p>