从地球到火星

文 闻新 陈镝 李雅融

从地球到火星

文 闻新 陈镝 李雅融

在相当一段时间内，人们都把发现外星人的希望寄托于火星，甚至撰写了不少关于火星人的科幻小说。当航天器访问火星后，人们发现它是一个干燥、无生命、沙漠覆盖整个表面的行星。人们之所以重新燃起对火星探索的欲望，是因为有证据证明它曾经是有很多水的星球。

火星的环境地貌图像

一、为什么人类探测火星活动的成功率比较低

受天体运行规律的制约，每26个月才有一次探测火星的有利发射时机。从1960年10月10日前苏联发射“火星1960A”探测器至今，人类共组织实施了43次火星探测任务，成功或部分成功的有22次。中国计划在2020年的首次探测火星行动中，一次实现“环绕、着陆、巡视”三个目标。目前，NASA的火星探测器引起了公众的广泛关注。

1965年，第一艘抵达火星的人类航天器——NASA的“水手4号”航天器经过距离火星表面，第一次成功飞越火星。拍下了火星南半球的21张图片，发现火星的陨石坑很像月亮上的陨石坑。

1971年第一颗火星轨道飞行器“水手9号”发现了火星上一个巨大的、休眠的火山。南半球与相对更年轻的北半球相比，陨石坑更多。

水手4号拍的陨石坑

1975年，两个“海盗”飞行器离开地球前往火星，传回了第一张从火星表面拍摄的图片，发现了一条似乎干涸的河床分支。

“海盗2号”着陆火星

“好奇号”火星车是美国第七个火星着陆探测器，第四台火星车，也是四个漫步火星的火星车中最新的和最大的一个。它于2011年11月发射，2012年8月成功登陆火星表面，是世界上第一辆采用核动力驱动的火星车。

正在火星表面巡视的“好奇”号探测器

拍摄于地球上的三代火星车：索杰纳号（前），机遇号（左），好奇号（右）

“好奇号”之前的三个火星车的情况如何呢？“索杰纳号”火星车是第一个火星车，它在1996年探测了克里斯平原，之后被安置在母船附近。孪生火星车“勇气号”和“机遇号”于2004年到达火星进行探测。

二、从地球到火星需要多长时间

因环绕太阳运行，地球与火星之间的距离时刻发生变化。为了确定到达火星的时间，人们需要计算地球与火星之间的距离。地球和火星最近点的距离是5460万千米。发生在近期的最近距离是2003年，两者相距5600万千米。当两颗行星分别位于太阳的两侧时，两者之间距离最远，大约为4.01亿千米。

从火星表面发出的光到达地球的最短时间大约为3分钟。对于航天器来说，到达火星的时间主要取决于发射任务时两颗行星所处的轨道位置，同时还取决于推进系统的科技发展程度。从地球发射的最快的宇宙飞船是新视野号探测器，这个探测器到达火星的时间为942小时（39天）。

电影《火星救援》里很多技术的真实可行性受到广泛好评，但美国麻省理工学院的研究人员认为，电影里展现的救援路线并非最佳路径，从地球出发前往火星的最佳路线，需要利用月球做中转站。

三、 特别星球

德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）计算出了火星轨道的形状，并得出了行星运动的三大定律。荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）发现火星每24小时40分钟旋转一周，并在1672年发现了火星的极冠。

在前人的基础上，意大利天文学家安吉洛·西奇（Angelo Secchi）画出了火星的第一张有色地图。之后，1879年，意大利人乔范尼·弗吉尼奥·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）画出了更加详细的火星地图，包括细纹标记，意大利语译为“channels”，英语版本错误翻译为“canals（运河）”。

夏帕雷利画的火星地图

火星是太阳系中的第四颗行星，它的运行轨道位于地球和木星轨道之间，与太阳的平均距离是2.28亿千米。火星是一颗比地球冷得多的星球，表面平均温度约为-60℃（-80℉）。火星的外部包裹着一层粗厚的岩石，在这层外壳之下是炽热的地幔，它的温度极高，以至于其中的部分岩石都有可能熔化。在地幔以下，也就是火星的中央，是一个巨大的金属核心。火星的核心主要由铁构成，同时含有其它化学元素。

火星有人居住的观点，在科幻小说中非常流行。1938年10月30日，奥逊·威尔斯（Orson Welles）根据赫伯特·乔治·威尔斯（H.G. Wells）的作品，用新闻的方式播出了广播剧“星际战争（War of the Worlds）”。精彩的表演使得一些听众误认为真的有来自火星的入侵者正在接管地球。

在CBS广播电台正在播音的奥逊·威尔斯

美国SpaceX公司创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）表示，随着科学技术的不断发展，人类的火星旅行并非难事，让人类成为多行星物种的计划有望成为现实。他预言2030年人类将登陆火星，2060年火星表面人口数量将达到100万，甚至最终地球人应当移居至火星。

然而，火星计划将产生一系列有趣的问题，例如：如何在火星发现充足的水资源，维持人类日常生活以及农作物生长？火星极地冰盖存在大量水资源，哪种类型建筑适宜人类生活，保护人类免遭恶劣火星环境因素影响？如何利用火星土壤制造砖块是一种房屋建造的解决方案，或者原地安置一个塑料膨胀设备，像一个巨大的充气帐篷，用于人类生活居住？未来哪些人将成为首批火星探险者？是太空爱好者、美国人亦或者是有钱人？谁将最早登陆火星？

电影《火星救援》剧照。在电影中，猜想人类在2030年可能首次登陆火星。

四、科学视角

英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）利用对火星自旋周期的测量，发现它的轴是倾斜25.2°的。赫歇尔指出火星上冰冠的面积会随着季节的不同有所改变。

冬季的冰盖

当行星自转轴倾斜时，行星表面上的光照量在一年里会不断变化。像地球一样，火星在一年里也有春、夏、秋、冬四季更替。但火星上每个季节的时间都是地球的两倍，这是因为火星公转周期约是地球的2倍。

火星的四季

火星的南、北两极与地球一样，常年覆盖着白皑皑的冰雪。这两个冰盖的面积会随着火星气候的变化而变化。火星北极冠的水冰更多，而南极冠固态二氧化碳更多。在这里的冬季，南极的冰冠可以蔓延至火星的整个南半球；在夏季，这些极冠又几乎全部消失。北极冰冠面积的变化，没有南极冠那么明显，那是因为无论在冬季还是夏季，火星的北半球总是比南半球寒冷得多。

火星的冰盖

在火星上，旋风的速度通常约为每小时10千米，当龙卷风吹起红色的沙尘时，我们观测到的火星，就像在表面覆盖上了一层毯子。

火星沙尘暴

火星表面没有液态水，科学家们发现火星上还是存在很多水的，绝大部分都被冰冻在火星两极，以冰冻的土壤形式存在，也称为“永久冻土”。并且，火星深处有可能存在大量未知的液态水。

太阳风“吹动”火星大气

火星上也有很多火山，其中几座火山在太阳系中排名非常靠前。就像地球上夏威夷群岛的“盾状火山”一样，这些火山都非常宽，拥有非常长的斜坡。其中有四座大火山位于塔西斯高地，也就是火星赤道上一个凸起的地方。在这四座火山中，最大的要数奥林匹斯火山了。奥林匹斯火山高约25千米，半径约600千米，比地球上最高的珠穆朗玛峰还要高出两倍多。目前科学家还不能确定这些火山最近一次爆发的时间，也许有一亿多年未曾爆发过了。

太阳系中最高的火山——奥林匹斯火山

“水手谷”是火星上一个巨大的峡谷群，在火星赤道附近绵延4000多千米。1971年，美国发射的探测器“水手9号”首次发现了它。“水手谷”的峡谷群，最宽处100千米，最深处10千米。在“水手谷”中心有三条大峡谷，形成了一个600千米宽的巨大缺口。科学家们认为，在几十亿年前，当火星地壳由于表面张力过大引起分裂，形成了“水手谷”。40亿年前，“水手谷”可能还有水在流淌。

火星的伤疤——水手谷

火星拥有整个太阳系中最大的陨石坑——赫拉斯盆地，它差不多和美国的加勒比海一样大。赫拉斯盆地半径约2300千米、深约9千米，而地球上最大的陨石坑半径也只有约300千米。据分析，火星陨石坑周围的许多岩石是从陨石坑中溅出来的。科学家们认为，当陨石撞击火星形成陨石坑时产生大量的热能，这些热能使火星内的冰融化，湿润的泥土被溅到陨石坑周围。

火星上的陨石坑

当火星处于有利位置时，美国天文学家阿萨夫·霍尔（Asaph Hall）发现了火星的两颗卫星：火卫一和火卫二，分别命名为“福波斯”（Phobos）与“德莫斯”（Deimos）。他使用的是美国海军气象天文台中新建成不久的66厘米口径折射望远镜，这台望远镜当时是世界上口径最大的折射式望远镜。

美国海军气象天文台口径66厘米的折射望远镜

火星的这两颗卫星的形状很不规则，表面布满了陨石坑。“火卫一”比“火卫二”的个头大，从目前的观察结果来看，“火卫一”的轨道正在降低，而且逐渐靠进火星。与“火卫一”不同，“火卫二”的半径只有15千米，正慢慢远离火星。

火卫一和火卫二

1924年，美国天文学家爱迪生·佩蒂特（Edison Pettit）和瑟思·尼可尔森（Seth Nicholson）使用位于加州威尔逊山的胡克望远镜估测出火星表面的温度。测得火星赤道处为7°C(45°F)，极点处为-68°C (-90°F)，并得出风和温度是季节性变化的结论。

胡可望远镜

五、发现达人

克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huyg（h）ens，1629年04月14日——1695年07月08日)荷兰物理学家、天文学家、数学家。他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱，是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，并改进了计时器。

克里斯蒂安·惠更斯

阿萨夫·霍尔

阿萨夫·霍尔（Asaph Hall，1829年10月15日——1907年11月22日），美国天文学家，火星的两颗卫星的发现者。年轻时曾是一名木匠，后来进入华盛顿的美国海军天文台。发现了火星的两颗卫星：火卫一和火卫二。此外，他还测定了土星的自转周期。1879年获得了英国皇家天文学会颁发的金质奖章。为了纪念他，月球表面和火卫一南极附近各有一座环形山被命名为“霍尔”。

杰拉德·柯伊伯

1947年，在威斯康星州耶基斯天文台工作的美国天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）发现火星稀薄的大气层主要由二氧化碳组成。这个发现推翻了之前的火星像地球的偏颇观点。

在罗马神话里，战神阿瑞斯（Mars），是火星的守护神。

六、传奇故事

或许是由于火星鲜红的颜色，有时它被称为“红色行星”，并且以罗马战争之神Mars的名字命名。经过占星术的占卜，火星是激情、战斗和欲望的象征。直到17世纪，火星在运动和亮度上的表面的变化一直迷惑天文学家。

探索火星是人类的梦想，然而火星历来是一个危险的目的地。50多年来，世界各国先后向火星发射了40多个探测器，但其中约1/2的火星探测器都以失败告终，为此火星被称为“探测器坟场”。

火箭发射故障是第一道难关。1996年11月16日俄罗斯“火星96”探测器，因发射它的“质子号”运载火箭出现故障而未能踏上征程。2011年11月9日，俄罗斯“火卫一土壤”探测器升空后由于它变轨用的主发动机无法点火，未能进入地火转移轨道，最终在2012年1月15日坠入地球。

通信联系是第二道难关。由于路途遥远，火星探测器对通信的要求极高，通信故障也是最常见的失败原因。1962年11月1日，苏联发射了“火星1号”探测器，它在1963年6月19日飞越火星，但不久就失去了无线电联系。1989年，苏联“火卫1号”和“火卫2号”探测器都在前往火星的途中失踪。1992年9月25日美国发射了“火星观测者”轨道器，在1993年8月21日，即将切入火星轨道之前失去通信联系，实在是可惜。

发射前的“火星极地着陆器”

火星探测器在火星上的着陆行为相当于闯“鬼门关”，许多火星着陆器因此功亏一篑。1999年9月23日，美国“火星气候轨道器”在即将进入预定轨道前烧毁，原定于同年12月3日在火星着陆的“火星极地着陆器”也下落不明。

日本“希望号”火星探测器没能进入火星轨道

日本的火星探测器“希望号”，由于其电路系统在2003年底受太阳风暴的影响而出现故障，未能切入火星轨道而告失败。

2003年12月，欧洲“猎兔犬2号”着陆器与“火星快车”轨道器分离后，准备在火星表面着陆时失踪了，其原因可能是“猎兔犬2号”在着陆过程中未能及时打开降落伞而坠毁在火星表面。

虽然人类在探测火星的道路上磕磕绊绊，但是人们探测火星、探测深空的科学试验不会停歇，挑战火星依然是人类并不遥远的美丽理想。