火星探測的里程碑

2021-11-12由中科院地質地球所發表于歷史

“天問一號”目前正在火星軌道上開展觀測，這是我國的第一枚火星探測器，可謂意義非凡。經由這次任務，我國正式加入了火星探測者的行列。近六十年來，已經有超過30組探測任務成功造訪了火星——他們是如何推動我們對火星的認知的？

世界各國火星探測成就。（自制，轉載請註明出處。）

Part 01

探索年代

1957年，前蘇聯發射了人類的第一顆人造地球衛星：Sputnik-1號。自那以後，人類立刻開始規劃造訪地外行星。很快，1960年前蘇聯就搶先開始了探索火星的征程，於1960年、1962年展開了共五次火星探測器的試射，可惜未能獲得成功。

1960年，前蘇聯試射的1M No。1火星探測器的模型

緊接著，美國人後發先至，1964年發射的水手4號探測器（Mariner-4），於1965年7月15日（最近點）成為人類第一枚飛掠火星的探測器，最近距離9846千米。它拍攝了人類的第一張火星“近照”，傳回了約634kB的資料，且發現在火星上有著類似月球表面的撞擊坑。這在一定程度上可以說明火星地質活動沉寂已久，這出乎了科學家們的預料。它還遙測到，火星表面氣壓大約是410到700帕斯卡，晝間溫度大約-100℃。

水手3號和水手4號的模型（左上，二者設計相同），水手4號拍攝的最清晰的火星照片，可見撞擊坑（右上），手工上色的人類第一張火星近照（下）

1969年2月25日和3月27日，美國發射了水手6號、7號，並分別於7月31日，8月5日飛掠了火星（指最近點）。兩枚探測器對火星表面的拍照大約覆蓋了約20%的面積，一共傳回了201張照片。二者還對火星大氣層進行了測量，發現其大氣主要成分是二氧化碳，但火星表面也有痕量的水。

水手7號飛近火星時拍攝的兩張火星半球照片（上）及水手6、7號的模型（下）

Part 02

火星大航海

前蘇聯和美國的太空競賽在1970年前後達到高潮。1971年5月19日和28日，前蘇聯發射了火星2號、3號（Mars 2， Mars 3），5月9日和30日，美國發射了水手8號、9號。美蘇兩家的目標都是在火星部署軌道器。

水手8號發射失敗，但是水手9號十分爭氣，竟然再次後發先至，搶在前蘇聯的兩枚探測器之前切入火星軌道，於1971年11月14日，成為了人類第一枚火星軌道環繞器。水手9號在火星軌道上工作了519天后關機，在其前349天的工作中，它共傳回了7329張照片，觀測了大量過去的任務未能仔細觀察的區域。它發現了大量的火星表面細節特徵，包括河床、撞擊坑、還包括太陽系中地球之外的第一座，也是最大的火山：奧林匹斯火山。其觀測資料直接指導了美國接下來的“海盜（Viking）”系列任務。

上：水手9號模型；左下：水手9號發現的火星表面迷宮一般的地貌；右下：水手9號拍攝的奧林匹斯火山。

前蘇聯的火星2號、3號雖然沒有搶到第一的位置，但本身也是非常優秀的探測器。11月27日和12月2日，兩枚探測器相繼進入火星環繞軌道。在進入軌道的同時，二者分別釋放了一個著陸器，每個著陸器裡還藏著一個小小的巡視車。火星2號著陸器沒能成功著陸，成為了首個墜毀在火星表面的人造物；火星3號著陸器成功軟著陸，但似乎被火星當時的強烈沙塵暴損壞了。它著陸後104。5秒就失去了訊號，只傳輸回一張殘缺的圖片，成為了人類首個在火星軟著陸的探測器。火星2號和3號也開展了廣泛的火星表面測繪工作，測量出奧林匹斯山那驚人的22千米的高度，發現火星表面溫度在-110℃至13℃之間，沙塵暴高度可達7千米。此外，他們還攜帶了磁場、重力等相關測量裝置，測定出火星電離層高度大約80-110km。火星3號著陸器還拍攝了人類第一張火星表面的照片——雖然只有70行。據前蘇聯Lavochkin設計局當時的總設計師V。 G。 Perminov透露，這張圖片是一張“灰色底色但沒有細節”的圖片。

Mars 2，Mars 3的設計圖（上）和巡視器模型（左下），著陸器模型（右下）

在航天工程領域，運氣的成份似乎一直佔比很大。從上面的任務開始，美蘇的“火星運”就開始走向兩個極端。前蘇聯連戰連敗，後續的多個著陸器都失敗了，一直遺傳到現在的俄羅斯，後面甚至傳染給了歐盟；美國卻連戰連捷，鮮有敗績，漸漸成為了火星探測的老大哥。

1975年8月20日和9月9日，美國NASA發射了海盜1號、2號（Viking 1，Viking 2），並分別於次年7月20日、9月3日成功著陸。海盜1號成為了人類第一枚成功從火星表面傳回完整資料的著陸器。海盜1號和2號主要研究了火星表面土壤的性質，並嘗試尋找生命的痕跡——當然是沒有找到了。從這次任務中科學家發現，火星地表土壤主要是玄武岩風化之後的產物，且含有豐富的矽、鐵，和硫、氯等。鉀含量大約是地球地表的五分之一左右。總的來說，可能並不適合類似地球生命的碳基生命生存。

上：海盜1號拍攝的人類第一張火星表面照片。中左：海盜號著陸器和軌道器總體。中右：海盜號著陸器的模型。下：海盜2號著陸器於火星正午拍攝的高解析度全景拼圖（其中色彩來自於低解析度相機）

Part 03

拓寬視野

海盜號之後，隨著太空爭霸重心的轉移，火星探測漸漸沉寂下來。到1990年前後再次掀起火星熱的時候，政治目的開始減弱，科學目的成為了火星任務的第一考量。

前蘇聯在多次試圖著陸火星失敗之後，可能決定換種思路——改為探測火星的衛星，火衛一“Phobos”。1988年7月7日，前蘇聯發射了“Phobos-2”探測器，希望對火衛一進行軌道觀測，並向火衛一部署一個觀測站和一個“彈跳器”。總的來說，對火衛一的軌道觀測成功了，Phobos-2拍攝了37張火衛一的照片，覆蓋了其80%的表面積；攜帶的紅外光譜儀沒有發現水的痕跡。然而就在即將釋放觀測站和彈跳器時，1989年3月27日，Phobos-2失去了訊號。科學家推測應當是其機載的三臺計算機中的最後一臺能正常工作的，出現了嚴重故障。

Phobos-2號的藝術概念圖（上），和其“VSK”相機拍攝的火衛一。

美國則憑藉著多次成功的經驗，開始細化對火星的勘測。1996年11月7日，美國發射火星全球勘探者號（Mars Global Surveyer，MGS），在火星軌道上工作了7年，對火星整體進行了測繪，包括地表、大氣層和電離層等。

MGS的藝術效果圖

1996年12月4日，美國發射了火星探路者號著陸器（Mars Pathfinder），攜帶了旅居者號火星車（Sojourner）。這次任務主要是為了試水透過氣囊的方法進行軟著陸，為將來的任務鋪平道路，是名副其實的“探路者”。旅居者號成為了人類第一輛在另一顆行星上行駛的無人巡視車。

上：火星探路者拍攝的火星地表全景；下左：火星探路者和旅居者號正在裝配；下右：旅居者號在火星上度過第22個火星日。

2001年，美國NASA發射了火星奧德賽號（Mars Odyssey）探測器，主要任務是尋找火星的水。不負眾望，它對火星淺表底層含水量進行了普查，發現了大量水的蹤跡。此外，它在火星赤道地區也發現了淺表的水層——很有可能這些水能夠適時融化為液態，供微生物生存。

火星奧德賽號

2003年，火星大沖，這是近百年來最適合發射火星探測器的視窗。歐空局ESA發射了“火星快車（Mars Express）”軌道器，美國NASA發射了“勇氣號（Spirit）”和“機遇號（Opportunity）”火星車。他們幾乎全都聚焦於“找水”。火星快車在極地冰蓋中發現了水冰，還在大氣中發現了甲烷的跡象和痕量的氨——這暗示可能曾有生命存在於火星上，或至少有演化生命的條件。勇氣號和機遇號分別發現了一些地表上流水侵蝕風化的線索，並進行了火星上的天文觀測。

從火星看地球。由勇氣號拍攝。

2005年，美國NASA發射了火星軌道勘測飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO），它主要針對火星的地理環境和氣象環境進行研究。在火星軌道上，它發現了火星表面藏在各種地方的冰，以及各類水成的礦物。此外，根據其資料，科學家推測，火星表面廣泛分佈著氯化物，這應該是由含水的礦物蒸發形成的——換言之，火星表面曾經廣泛分佈有水。2011年8月4日，NASA宣佈MRO偵察到在火星的溫暖的月份裡，其表面似乎存在流動的液態水。

MRO觀測到的4次火星表面的雪崩現象

2007年，NASA發射了鳳凰號（Phoenix）火星著陸器，2008年5月25日著陸在了火星的極地地區。鳳凰號證明了火星極地地區淺地表下水的存在。

鳳凰號拍攝的淺地表冰的融化和蒸發。左側為第20太陽日剛剛挖開的淺地表，右側為4個太陽日後的同一位置。明顯可見白色減少了，融化了。

2011年，NASA發射了好奇號（Curiosity）火星車。這是一臺功能強大的地面綜合科學實驗室，可以完成全套的取樣分析工作。目前，它正在一邊走，一邊做實驗，尋找各種關於水和生命的跡象，拍各種高畫質晰度的照片。截止2020年12月9日，好奇號距離著陸點已經有23。32千米。

好奇號拍攝的“尖山”。攝影技術確實過硬。

2013年，NASA發射了“火星大氣層和揮發分演化任務（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission，MAVEN）”探測器。這個探測器試圖解答：火星是如何失去它表面豐富的水資源和濃密的大氣層，變成現在這樣荒涼的樣子的？2015年的資料證明，隨著其內部核心的冷卻，火星不再能產生類似地球的內稟磁場，從而導致太陽風長驅直入，剝離了火星大氣。水分中的氫離子大量逃逸，從而變得乾旱。

在MAVEN的紫外成像下，火星氣體成分的揮發。左：原子碳，中：原子氧，右：原子氫

Part 04

新鮮血液

科學家越是學習和探索這個世界，就越感到自己的無知。越是探索火星，我們就發現還有越多的疑點等待我們去解答。目前，2018年著陸火星的洞察號（InSight）、2018年進入火星軌道的火星微量氣體任務衛星（ExoMars Trace Gas Orbiter）才剛剛開始收集資料，解釋資料；2021年的三個新鮮血液：中國的天問一號、美國的毅力號（Perseverance）火星車、阿聯酋的HOPE號軌道器才剛剛進入工作崗位，沒來得及開展科研工作。