火星探測過程（登陸火星第一步）

2023-10-05 06:30:06

作者：陳廣強、豆國輝、王貴東

火星距離地球較近，是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國際行星探測的重點目標，是除月球外人類探索最多的地外天體。火星大氣數據測量能夠建立和完善火星大氣模型，而所有的火星航空器，例如氣球、直升機、撲翼機和固定翼飛機等，必須參考火星大氣測量數據進行開發和研製，才能確保其工作性能。這對未來開展火星探測研究、載人登陸和開發火星資源具有重要的意義。

「天問一號著巡合影」圖新華社發

1.火星大氣數據測量是火星探測的首要任務

在太陽系中，火星環境與地球最為相似，可能保存著太陽系生命起源和行星演化中，災難性變化的最好記錄，對研究地球起源與演化具有非常重要的比較意義，是探尋地外生命、探索生命起源與演化等重大科學問題最有價值的目標之一。火星距離地球較近，也是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國際行星探測的重點目標，是除月球外人類探索最多的地外天體。

火星大氣數據測量是火星探測的首要任務，對了解探測器來流參數、大氣環境和探索火星塵暴具有重要的意義。這種測量可以獲取火星大氣靜壓、密度和風速等參數，建立和完善火星大氣模型，為下一步火星表面常規航空飛行器，如氣球、直升機、撲翼機和固定翼飛機等開展探測提供技術支撐。

這是因為，所有的火星航空器必須參考火星大氣測量數據進行開發和研製才能確保其工作性能。因此，火星大氣數據測量對未來探測火星、載人登陸和資源開發具有重要的意義。

「天問一號」是我國首次探測火星的飛行任務，在國際上首次通過一次飛行任務實現火星「環繞、著陸、巡視」的三步跨越，是我國航天事業發展又一具有裡程碑意義的進展。

此次「天問一號」任務實現了中國火星探測零的突破，也是國內首次搭載火星進入大氣數據測量系統（MEADS），獲取了一手火星探測大氣科學數據。這使國內行星科學大氣探測研究取得顯著進步，成功開啟了中國行星大氣探測的新徵程。「天問一號」任務的實施，構建了中國獨立自主的行星大氣探測基礎工程體系。

目前，利用「天問一號」火星探測器搭載的大氣數據測量系統，我國已成功獲取了沿探測器飛行彈道海拔60千米以下的大氣靜壓、密度、風速、總壓、馬赫數、攻角和側滑角等珍貴數據，完善和修正了現有的火星大氣數據模型，成為繼美國之後，世界第二個近距離測量火星大氣的國家。

2.火星大氣受環境影響非常多變

我國此次「天問一號」的火星進入大氣數據系統，其測量結果與歐洲航天局提供的火星大氣模型偏差較大，特別是在20千米高度以下，靜壓偏差達到120Pa，相對誤差接近100%。

這種情況此前也曾出現過——美國「機智」號火星直升機，多次出現由於靜壓降低，在地面無法正常起飛的現象。可以推斷，火星大氣靜壓受到環境影響變化很大。這是對火星大氣探測的新進展。

此前，世界其他國家也多次開展了火星探測，在火星大氣探測方面，也取得了很多進展。科學家們已經發現，火星大氣非常稀薄，密度只有地球的1%左右，表面大氣壓500Pa~700Pa。

火星大氣的主要成分為二氧化碳和氮氣等，而且經常有沙塵暴。火星大氣層與地球大氣層都有氮氣、二氧化碳存在，這是火星與地球最大的相似之處。火星表面溫度白天最高可達28℃，夜晚降低到-132℃，平均-57℃。雖然二氧化碳含量是地球的幾倍，但因缺乏水汽，所以溫室效應只有10℃，比地球的33℃低得多。火星大氣的這些特徵決定了深空探測器在火星進入階段必須要經歷比地球大氣更稀薄、聲速更低的大氣環境，大氣介質在飛行器高超聲速進入中更易電離，電離後的高溫氣體將使探測器溫度升高。

二氧化碳是火星大氣的主要成分。冬天時，火星的極區進入永夜，低溫使大氣中多達25%的二氧化碳在極冠沉澱成乾冰，到了夏季則再度升華至火星大氣中。這個過程使得極區周圍的氣壓與大氣組成在一年之中變化很大。

和太陽系其他星球相比，火星大氣有著較高比例的氬氣。不像二氧化碳會沉澱，氬氣的總含量是固定的，但因為大氣中二氧化碳的濃度會在冬夏季發生變化，氬氣在不同地點的相對含量也會隨季節而改變。根據近期的衛星資料，南極區在秋季時氬氣含量提高，到了春季則會降低。

火星大氣變化很大。當夏季二氧化碳升華回大氣時，留下微量的水汽。季節性、時速接近400公裡的風吹過極區，帶著大量的沙塵與水汽，其中水汽造就了霜與大片捲雲。2008年，美國國家航空航天局「鳳凰」號發現火星地下冰——當地大氣中的水分在晚上時會消失，同時土壤的水分則會增加。

火星大氣中含有十億分之一級的微量甲烷，這由美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的團隊於2003年首次發現。甲烷的存在十分吸引人，它是不穩定的氣體，必有某種來源。據估計，火星每年產生約270噸的甲烷，但由小行星帶來的只佔0.8%。雖然地質活動也可提供，但火星近期缺乏火山活動，甲烷來自熱液活動、熱點等的可能性較低。微生物（如甲烷古菌）也可能是其來源之一，但尚未證實。火星甲烷的分布不是全球性的，這表示它在充分分布均勻之前就已被破壞，不過這也指出它是被不時釋放至大氣中的。目前火星探測計劃希望尋找可能的伴隨氣體，藉以推測其甲烷的來源。因為，在地球海洋中，生物產的甲烷常伴隨著乙烯，而火山作用產生的甲烷則伴隨著二氧化硫。

2005年，有研究發現橄欖石與水、二氧化碳於高溫高壓下蛇紋巖化後可產生甲烷，過程與生物無關。在地表下幾公裡深即可滿足反應的溫壓條件，且要維持目前甲烷濃度幾十億年，所需的橄欖石量並不多，增加了甲烷無機來源的可能。不過，如果要證實，就得發現此反應的另一產物蛇紋巖。

歐洲航天局發現甲烷的分布不均勻，但卻和水汽的分布相當一致。在上層大氣這兩種氣體分布均勻，但在地表卻集中在三處：阿拉伯地、埃律西昂平原和阿卡迪亞平原。有科學家認為這種一致性增加了生物來源的可能。如果要證明甲烷的分布與生物有關，探測船或登陸艇需要攜帶質譜儀，分析火星上碳12與碳14的比例（即放射性碳定年法），便可辨別出是生物還是非生物源。

2013年，根據「好奇」號得到的進一步測量數據，美國國家航空航天局科學家報告，並沒有偵測到大氣甲烷存在跡象，測量值為0.18±0.67ppbv，對應於1.3ppbv上限（95%置信限），因此總結甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不會排出任何甲烷，仍舊可能在火星發現這些不會排出任何甲烷的微生物。

3.火星太空飛行器都攜帶大氣探測傳感器

火星是太陽系中與地球最相似的行星，是最有可能存在生命和實現人類移民的星球。早在人類開始利用地基望遠鏡觀測深空的時候，對火星的觀測就開始了。隨著航天科技的發展，人類開始使用航天探測衛星對火星進行詳細探測，使系統性火星研究得以開展。

2012年，美國國家航空航天局的火星科學實驗室進入艙成功進入火星大氣層，並在火星表面蓋爾環形山位置安全著陸，實現了人類首次對火星大氣數據的近距離測量研究，其上就攜帶了嵌入式大氣數據傳感系統，即火星進入大氣數據系統。

目前，火星研究使用的衛星探測數據主要來自美國和歐洲航天局的火星軌道探測器。火星大氣和氣候的研究是火星航天探測的主要目標之一，迄今發射的每一個火星航天探測器都攜帶有大氣探測傳感器用來研究火星大氣的狀態，分析火星氣候乃至研究火星大氣遠古時候的狀態，進而分析火星大氣和氣候長期演變的原因。

由於火星大氣非常稀薄，密度只有地球的百分之一左右，其大氣的主要成分為二氧化碳和氮氣等，而且經常有沙塵暴。這種惡劣的氣候條件，對大氣數據測量系統的軟體和硬體設計產生很大影響。由於探測器在進入火星大氣層的飛行彈道馬赫數高達30，而到達近地面時馬赫數接近2。飛行速域寬，出現馬赫數無關性和化學非平衡反應效應等物理現象對火星大氣數據測量算法建模造成很大困難。

在此次「天問一號」的火星大氣測量任務中，我們的科研團隊針對火星探測器進入飛行彈道的高馬赫數、化學非平衡效應和低動壓等特點，提出了大氣數據測量方法，並利用自主研發的航天計算流體力學軟體平臺（CACFD）的化學非平衡模型/完全氣體模型計算，獲得火星探測器寬速域飛行流場的表面壓力點數據，建立了基於神經網絡的火星進入大氣數據系統（MEADS）算法模型。

4.大氣逸散和水汽變化是未來研究重點

火星大氣初期探測階段主要目的是了解火星大氣和氣候的屬性信息，確定火星大氣是否適合生命的存在。二十世紀九十年代後多個火星探測器相繼升空，獲取了連續的火星航天觀測數據，這一階段火星大氣探測的主要目的除了初期的目的之外，理解火星大氣和氣候的分布和變化規律，研究其演變歷程也是主要目的。兩個階段中水汽都作為主要探測目標之一。

火星就像一個低溫、乾燥的荒漠式地球，具有明顯的季節變化和年際重複性，但南北半球具有不對稱性。火星數十億年前曾經擁有大氣層和液態水，曾經適合生命繁衍。但如今的火星卻是一個冰冷的不毛之地，曾經濃厚的大氣層現在卻變得十分稀薄。科學家推測，火星可能經歷過重大變化。

火星大氣現狀研究能為了解火星發展歷程提供基礎信息，這對解答火星上是否有生命存在和人類能否移民火星等問題非常重要。此外，研究火星大氣和氣候的演變過程可以更好地理解地球大氣與氣候變化，有助於預見地球氣候變化帶來的災難性影響。

火星的大氣層從幾十億年前就已經開始流失，逐漸從一個溼潤、溫暖的宜居星球變成了寒冷乾燥的沙漠。迄今為止，科學家們已經知道了火星磁層，但還沒弄清磁層如何影響著火星大氣層，以及太陽風到底輸送了多少能量從而導致大氣逸散，這也是未來開展研究的重要方向。

大氣溫度是對大氣狀態的最基本的描述，也是熱紅外波譜反演大氣參數和隔離行星地表熱發射的起點。火星大氣中常年懸浮著氣溶膠，以沙塵和冷凝物兩種形式出現，氣溶膠會影響大氣熱結構和影響大氣成分的時空分布，水汽含量在火星大氣中雖然很少，但水汽是變化最顯著的大氣成分，水汽循環是火星氣候研究的關鍵因素。

因此火星大氣研究最初多集中在大氣溫度、氣溶膠和水汽的空間分布和時空變化以及三者之間存在的相互影響關係上。隨著火星航天探測數據的增多，針對火星大氣中的痕量氣體(甲烷、水汽和臭氧等)成分的含量與分布研究開始增加。水汽是火星上變化最大的痕量氣體，它的分布尤其是垂直分布，通過光化學反應和它產生的雲的輻射效應影響其他大氣過程。因而火星大氣中的水汽是火星大氣研究中最惹人注目的存在，而且水汽本身是變化劇烈的微量氣體，對於火星氣候循環有重要作用，也是火星上是否存在生命的佐證。

儘管對火星水汽的觀測已經進行了數十年，但對於火星水汽循環機制仍然知之甚少，來源具體在哪兒、空間分布的形成原因、水汽與氣溶膠的耦合等也需要科學家們開展更多研究。

（劉周、李國良、劉曉文、楊雲軍、周偉江為共同作者，作者單位為：中國航天空氣動力技術研究院）

《光明日報》（ 2022年10月27日16版）

來源： 光明網-《光明日報》