MAVEN火星之旅

李 丹 徐秋予 王天才 魏 勇 王誉棋

（1.中国科学院大学 101408；2.中国科学院国家空间科学中心 100190；3.中国科学院地质与地球物理研究所 100029）

每当我们仰望星空，总是会有无尽的遐想与揣测，我们在宇宙中是否孤独？人们心系答案，开展深空探测，以精细尖端的技术构筑庞大浩繁的工程，将人类的感知延伸到太阳系的行星、卫星、矮行星、小行星、彗星等天体。而奔赴火星，正是人类展开深空探索的关键一步。

自古以来人类就对火星情有独钟。火星在西方被冠以“战神马尔斯”的名称，是象征着战争的行星。而在我国古代，由于火星荧荧似火，行踪捉摸不定，因此被称为“荧惑”，并且古人将“荧惑守心”视为不祥之兆。时至今日，火星仍然令无数人好奇与着迷，火星探测也成为我国当前深空探测的关键领域。2021 年，建党100 周年之际，“天问一号”探测器的成功入轨与着陆，不仅标志着中国首次自主火星探测任务取得阶段性成功，也点燃了科学家与民众对于火星探索的热情。

自1962年前苏联发射“火星一号”探测器以来，人类对火星已经开展了数十次探测。其中，火星大气与挥发物演化探测器(MAVEN)于2013年11月由美国国家航天航空局发射，是一众火星探测任务中杰出的代表。本文将在简要回顾火星探测历史的基础上，就MAVEN探测器的有效载荷、科学目标以及科学成果进行简要介绍。

1.火星探测历程

20 世纪60 年代以来，多个国家已进行火星探测活动共48次，成功及部分成功实施的发射任务仅28 次。21 世纪以来成功开展的火星探测任务如下(表1)。

表1 2000年至2021年发射的火星探测器

目前成功登陆火星的探测器仅有9个，分别是：海盗一号、海盗二号、探路者、机遇号、勇气号、凤凰号、好奇号、洞察号、祝融号，除祝融号外，其余着陆器均为美国研制。仍在轨工作的轨道探测器仅有8个(表2)。

表2 火星在轨探测器

正是一次次的火星探测任务推动了关于火星的科学研究，也为我们逐步揭开了火星的神秘面纱。火星是一颗类地行星，很多学者认为火星曾经具备非常宜居的行星环境，也是太阳系内跟地球环境最相似的行星。但它的直径约是地球的一半，质量约是地球的十分之一。不论在外部空间环境，还是本身的磁场、电离层、中性大气成分和内部结构等，如今的火星都和地球有着巨大差异。

对于地球生命来说，大气是我们生存的重要条件，在温室效应、大气环流、水循环、阻挡太阳辐射以及减速陨石等方面发挥着重要作用。于是行星科学家们曾猜想火星上是否也存在大气，从而使火星也能够孕育生命。但随着探测的进一步展开，行星科学家发现火星的大气层相当稀薄，其主要成分是二氧化碳，氧气含量非常小，这样的条件下很难有类地生命存在。

火星的大气情况让科学家们产生了疑问：为何火星和地球同处于太阳系宜居带，地球有着厚厚的大气层，而火星的大气层却如此稀薄？是什么使火星大气层演变成今天这个样子？为了深入研究火星大气的演化情况，MAVEN 探测器携带着科学使命出发了。

MAVEN 探测器于2013 年11 月搭乘宇宙神五型火箭发射，踏上了十个月的飞往火星之旅，大约一年后进入火星大气层。科学家们希望能利用MAVEN所收集到的数据来分析火星大气的逃逸过程，并进一步研究火星的气候变化和可居住性等科学问题。

MAVEN的科学目标有以下四项：

图1 火星地表模拟图

1)了解从大气逃逸至太空的挥发物在大气演化中的作用，进而了解火星大气、气候、液态水和行星适居性的历史。

2)了解火星上层大气与电离层的状态，还有与太阳风的相互作用。

3)了解火星中性粒子与离子从大气逃逸的状况与相关机制。

4)测得大气中稳定同位素的比例，以了解大气随时间流失的情况。

2.MAVEN探测器载荷

MAVEN 探测器卫星平台如图2 所示。该探测器发射质量为2454 kg，干质量809 kg，采用2.29 m×2.29 m×3.47 m 的长方体构型，太阳电池翼翼展为11.43 m，总功率为1150～1700 W。使用2 个55A·h的锂离子电池组供电，姿态控制方式为三轴稳定，采用N2H4单组元推进系统，燃料箱可装载1640 kg燃料。其高增益天线直径为2 m，每周2 次指向地球进行X 频段通信。除了完成自身的在轨探测任务之外，还可为在火星表面执行探测任务的机遇号和好奇号火星车提供数据中继服务。

图2 MAVEN卫星

MAVEN 探测器携带3 个有效载荷包，包括粒子与场测量包、遥感包和中性气体和离子质谱仪，共8 种有效载荷(表3)，每种载荷承担着不同的功能，载荷见图3。

图3 MAVEN载荷(a)磁强计(MAG)；(b)中性气体和离子质谱仪(NGIMS)；(c)紫外成像光谱仪(IUVS)；(d)超热和热离子组分仪(STATIC)；(e)太阳风电子分析仪(SWEA)；(f)太阳风离子分析仪(SWIA)；(g)太阳高能粒子仪(SEP)；(h)朗缪尔探测器(LPW)

表3 MAVEN探测器有效载荷简要介绍

通过以上介绍，可发现MAVEN 有效载荷的探测目标与整个任务的科学目标紧密结合，主要针对火星大气的结构与演化展开探测。与MAVEN 不同，我国的天问一号探测内容更加广泛，从地下水冰到高空粒子，旨在从全方位了解火星环境，这从天问一号的载荷装置中可见一斑。天问一号轨道环绕器共搭载7 台有效载荷，探测内容主要包含以下五个方面：火星大气电离层分析及行星际环境探测、火星表面和地下水冰的探测、火星土壤类型分布和结构探测、火星地形地貌特征及其变化探测、火星表面物质成分的调查和分析。除此之外，天问一号携带的“祝融号”火星车的移动功能强大，并且也携带了6 台有效载荷(表4)，与轨道器载荷相呼应，共同承担了相应的探测任务。

表4 “祝融号”火星车有效载荷简介

3.MAVEN探测的重要发现

MAVEN 探测任务为了解火星大气和气候的演化做出了重要贡献，科学家们对MAVEN 传回的数据和照片进行了分析，获得了许多重大的科学成果，以下是NASA 对MAVEN 探测器十大科学发现的总结：

(1) 火星大气层持续受到太阳和太阳风的剥离，使火星环境从过去的较为温暖湿润转变为现在的寒冷干燥。

(2)探测了当前太阳和太阳风剥离火星大气层顶的速率及其过程，发现曾有大量火星大气随着时间而逐渐逃逸。

(3) 通过测量高层大气中的同位素，确定火星至少已失去了2/3的大气。

(4) 发现高层大气中的氢含量存在季节性变化，一年中相差可达10倍。高层大气中的氢来自于低层大气的水，在光照下分解成氢和氧。

(5)太阳风与火星之间相互作用的复杂程度超出预期。火星没有内禀磁场，但磁性地壳区域在局部尺度上影响太阳风，因此造成火星的磁层经常变化且分布不均。

(6)火星极光是太阳喷射的各类太阳风暴中的粒子流引起的。当这些粒子轰击火星大气层时，将火星大气的逃逸速度提高10倍以上。

(7) 发现了两种新型极光，即扩散型极光和质子型极光。与地球上的极光不同，这两种极光与火星磁场无关。

(8)首次直接探测到火星电离层中存在星际尘埃轰击火星大气层形成的金属离子层。该金属层长期存在，并在2014 年10 月赛丁泉彗星近距离飞越火星时急剧增强。

(9) 部分太阳风粒子穿透深入高层大气，不受火星电离层的偏转。其原因是太阳风中的带电粒子在电离层中发生化学反应，转变为能穿透深入大气的中性原子。

(10) 火星大气中的气态一氧化氮和臭氧分布成像十分复杂。这表明高层大气与低层大气之间存在气体交换，但其动力学过程尚不清楚。

4.奔赴火星的意义

MAVEN探测器发回的照片证实了科学家之前的一些预测。行星科学家在此前预言过，火星上会发生一氧化氮夜辉现象。MAVEN首次拍摄到这一现象的照片，证实了这一预言，这让行星科学家极受鼓舞。另外，MAVEN 的观测结果还展现出了在火星的四个巨大的火山上，午后会有云的形成。就像地球的山脉附近会形成云层一样，这也进一步促进了对火星地质地貌的研究与探索。

结合MAVEN 所探测到的数据，科学家们进行分析后认为，火星的大气层曾经也很厚，为火星的表面提供了微暖湿润的大气。那时，火星的表面拥有丰富而活跃的水，有海洋、河流、降雨等等。在这种情况下，我们不难想象火星当时是宜居的，甚至有可能有生命的存在与繁衍。但是，在火星形成后不到十亿年的某个时间点，它的全球磁场不复存在，保护星球不受太阳风侵害的主要力量消失，随后它的大气逐步被太阳风剥蚀殆尽，其表面也就变成了荒凉、贫瘠的荒漠，不再适合生命存在。MAVEN探测的数据展现了火星形成以来的大致气候演变以及火星的宜居性。由于火星与地球的相似性，这些科学成果又反过来帮助科学家们了解地球，让人们更加深刻地理解了地球磁场对地球大气、地球生命的保护作用，对人类了解地球环境的未来演化有着重要的参考价值。

火星探测与行星科学相辅相成。我国作为深空探测大国，在深空探测领域存在“起步晚，起点高”的情况，迈出火星探测第一步并取得圆满成功之后，如何更快更稳地持续推进火星探测计划，如何利用探测数据开展全面的科学研究已成为当下的重点问题。就MAVEN 探测器而言，它上面的多种有效载荷依然是我们国家深空探测发展的难关，中国需要不断培养新的行星科学人才，加大仪器研发投入，鼓励和促进深空探测任务总体、仪器研制团队与行星科学团队相互融合交流，才能实现工程、技术与科学的相互促进，和谐发展。

5.结语

基于MAVEN 轨道探测器传回的数据，科学家们产出了许多意义重大的科学成果，揭示了火星大气的科学奥秘，加深了人们对火星的了解。MAVEN探测任务的成功，也为其他深空探测任务提供了宝贵经验，对行星科学的发展做出了贡献。截至2021年7月，MAVEN轨道探测器仍然在轨工作，持续研究火星高空大气的结构和组成，并且能与火星表面其他火星车相联系，传回更多的火星探测数据。同时，期待我国的“天问一号”轨道器与“祝融号”火星车能够带来更多的新发现，揭开火星的神秘面纱，为回答我们在宇宙中是否孤独的问题交上一份全新的答卷。