探测狂暴的火星天气

张唯诚

目前，我国首个火星探测器“天问一号”的着陆器与“祝融号”火星车已成功登陆火星，并按照计划开展着陆区地形地貌、气象环境分析等工作，为我们更好地了解关于生命起源中大分子的合成和功能等各方面的问题提供了便利。以下就让我们来具体了解此次火星探测的任务之一：

凶猛尘暴肆虐火星

灰尘越来越密，小块的灰团像野火中的烟雾一样在大气中旋转，本应充满阳光的正午变得像黄昏，接着又成了黑夜。在不到一周的时间里，沙尘暴的范围超过了美国本土面积的2倍，并最终覆盖了整个星球。这里不是地球，一场沙尘暴正在肆虐火星。

尘埃对火星天气的影响，就像水对地球天气的影响一样重要。由于没有海洋，水汽稀少，大气稀薄，火星上的天气有半年时间是平静的（火星上的一年相当于地球上的687天），然而，当火星运行到离太阳较近的地方时，尘暴季节就开始了。

尘暴季节持续了约10个月，在火星南半球相当于春季和夏季。这时节，相对较强的阳光使大气变暖，空气从温暖的地区流向寒冷的地区。大气流动带来强风，风扬起沙尘，沙尘吸收阳光，使大气变得更暖，产生更强的风，从而扬起更多的沙尘。

这些风暴的规模各不相同，局部风暴的持续时间可达3个火星日（每个火星日为24.5小时）。若是全球风暴，就可以“吞噬”这颗星球达数月之久。

要摸透火星尘暴的脾气，科学家们需要有关火星气象的数据，这些数据应该有助于解释灰尘是如何被抛入空中并形成行星范围的风暴的，以及是什么让这种风暴能够持续数周或者数月。然而，尽管经过了近50年的研究，火星气象的一些关键性数据仍然缺乏。这些数据来自哪里？主要还是火星探测器对火星天气状况的探测。

1971年，美国宇航局的“水手9号”火星探测器发现火星的表面完全被沙尘所遮蔽。这以后，火星的全球尘暴就一直在影响着人类的火星探测行动。2007年，“机遇号”和“勇气号”都遭遇了全球尘暴。2008年，一场覆盖辽阔区域的尘暴结束了“凤凰号”着陆器的探测使命。

火星上的“好奇號”漫游车。照片由“好奇号”自拍于2012 年10 月。

火星上的“好奇号”漫游车。这张照片由“好奇号”自拍于2020 年2 月，与2012 年的自拍照相比，可见火星尘暴环境对“好奇号”的冲击。

中国火星探测器“天问一号”的漫游车“祝融号”对火星的温度、气压、风速和风向等进行探测。（模拟图）

幸运的是，“水手9号”是环绕火星轨道飞行的探测器，并没有着陆计划，它只需等待尘暴结束便可以拍摄火星表面的照片。但是，这场特大尘暴竟然持续了半年时间才渐渐平息。

预报天气迫在眉睫

发射火星探测器，科学家们除了需要等待大约每26个月打开一次的发射窗口外，还要注意探测器到达目的地时将面临怎样的环境。这其中最重要的环境因素是大气的密度。尽管火星的大气对火星表面施加的压力只有地球的1%，但稀薄的火星空气和火星风还是会减缓航天器的速度，并影响它的着陆点。因此，在这种时候，人们需要预测火星上的天气。

通常，工程师们使用过去的数据以预测未来，问题是他们目前可以利用的数据比较少，这为火星天气预报带来了不小的困难。与此同时，随着火星探测任务变得越来越复杂，特别是考虑到人类会在未来登陆火星，应对火星尘暴就显得格外紧迫了。到那时，科学家们会更加迫切地想知道尘暴会在何时何地发生，因为火星灰很容易侵入人类的居住地，堵塞空气过滤器。假若吸入体内，它们还会损害宇航员的肺部，甚至可能携带有毒和致癌的物质，使宇航员在执行任务时罹患疾病。

预测地球的天气时，气象学家能够动用数千个地面气象站，以及来自卫星、气球和飞机的气象数据。但火星上空只有6颗活跃的卫星和2套气象仪器从火星表面发回数据。其中，一套气象仪器搭载在“好奇号”火星探测器上，从2012年起开始收集数据;另一套几乎相同的仪器是2018年由“洞察号”无人着陆探测器带往火星的。然而，这2个探测器实际上是相邻的，这对了解整个火星的天气状况来说是一大弱点。

收集数据任重道远

几十年来，火星气象学家一直试图对火星风进行详细的测量，但运气总是不太好。只有5次火星地表任务提供了关于地表附近风速和风向的有用数据。执行这些任务的探测器，有1976年的“海盗1号”和“海盗2号”、1997年的“探路者号”，还有正在执行使命的“好奇号”和“洞察号”。但即使这样，结果也不尽如人意。

到目前为止，火星上最好的风力记录仍然是由40年前的“海盗号”火星探测器提供的。原本“好奇号”火星探测器安装有一对电加热的吊杆，用来对各个方向的风进行直接测量，但“好奇号”的自拍照显示，在着陆时，其中一根吊杆损坏了，无法使用。在火星上执行任务的最初的1490天里，“好奇号”只能在风迎面吹来的时候进行测量。随后，在2016年10月，它的第2个安装在吊杆上的传感器也损坏了。研究人员希望能从“好奇号”的温度传感器中获取有关火星风的数据，但非常不易。

正因为如此，最近一波抵达火星的探测器就特别令人期待，它们都担负着研究火星气象的使命。阿联酋的火星探测器“希望号”将从空中观测火星天气。在火星轨道上运行一年后，“希望号”收集的数据还将有助于绘制一幅关于大气如何每天变化及季节如何转换的火星全年气候变化的图像。此外，2021年初登陆的“毅力号”火星探测器也将有所作为，它将对火星上的风速和风向进行迄今最为有效的直接测量。

接下来登场的就是我国的“天问一号”火星探测器了。“天问一号”火星探测器上配置有多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪和地形相机等设备。与此同时，它还拥有一台火星气象测量仪，它的任务就是在着陆区开展气象巡视探测，收集有关火星温度、气压、风速和风向的数据。

在未来的火星探测任务中，火星气象预报是如此重要，以致于人类的任何一次火星之旅都与之息息相关。火星气象研究是人类探测火星绕不开的课题，“天问一号”火星探测器将为我国火星气象研究打开全新的局面。