中美阿齐飞火星!为什么是火星,它会成为第二个地球吗?

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  又到每26个月一次的火星发射季,中、美、阿联酋齐发火星探测器。根据谁先到谁先开发的原则,迅速开展火星探测是未来开发利用火星资源的基础。但为什么是火星,它会成为第二个地球吗?

  

  和地球邻近的行星。左起:水星、金星、地球、火星 | NASA

  作者 | 林文杰

  7月20日凌晨5点58分(北京时间),阿联酋首颗火星探测器“希望号”由日本运载火箭发射升空。据预计,它将经过200多天的飞行,于2021年2月抵达火星。

  这是一颗火星气象卫星,设计寿命2年,主要目标是研究火星气候演变以及天气状况,例如沙尘暴等。

  

  “希望号”在日本种子岛航天中心发射升空 | 来自网络

  与此同时,中国的“天问一号”火星探测器和美国宇航局(NASA)的“毅力号”火星车也正整装待发,预计在8月15日之前完成发射。

  “天问一号”是中国首次独立自主执行的火星探测任务,据国家航天局、中国空间技术研究院最新消息,“天问一号”目前已经抵达发射场。

  执行本次发射任务的是中国现役运力最强火箭——长征五号。强大的推力可以让它将探测器发射到足够高的轨道,进而飞向火星。7月17日上午,长征五号遥四(指第四次任务)已被垂直转运到文昌发射场的发射区。它将在这里进行功能检查和各种测试,发射前才会加注推进剂。

  这也是我国运载火箭首次执行地-火转移轨道发射。自2016年1月火星探测项目立项之后,我国在短短4年内建立起探测火星的基础体系,并一次性发射轨道器(环绕飞行器)、着陆器和火星车,引世界瞩目。

  

  “天问一号”着陆器和火星车(概念图) | 中国航天

  那么问题来了,为什么是火星,火星会成为第二个地球吗?

  为什么选择火星?

  在过去20年内,中国航天将注意力集中在嫦娥工程上,对月球实施了绕、落、回三步走战略,即:绕月飞行,月面软着陆,采样返回。目前执行到最后一步,即将发射的嫦娥5号将把月球上的岩石带回地球,完成“回”的操作。

  随着国际深空探测向火星等地月系之外的天体看齐,我国也启动了行星探测计划。

  火星作为距离地球最近的行星,且美国宇航局发现火星上有季节性液态水,因此成为行星探索的热门之地。中国行星探测计划在2020年4月24日的中国航天日上公布了火星探测的任务名称和标识。至此,火星成为了中国行星探测的第一站。

  

  2015年,NASA发现火星表面活跃着季节性波纹,表明其上存在液态水(图:Garni撞击坑上的波纹)。| NASA

  在天问一号项目启动之前,美国宇航局、欧洲航天局都对火星进行了深入调查,掌握了火星表面的大部分地貌情况,并且对火星大气有了深入研究,揭开了火星大气稀薄的奥秘。马斯克的星舰计划更是计划在火星上建造人类第一个外星殖民地,要移民100万人到火星定居。

  在这个背景下,中国行星探测第一站选择火星也是一种必然。从外空资源开发的角度看,遵循谁先到谁先开发的原则,中国迅速建立火星探测任务体系,也是为今后火星资源的利用奠定基础。

  火星有可能成为人类的新家园?

  马斯克的星舰计划要移民100万人到火星,目前已经进行了至少11次测试,原型机建造到星舰SN9阶段,预计在2020年7月进行第12次测试。

  在过去11次测试中,大部分都以失败告终,星舰SN9原型机在今年7月的测试预计飞行20公里高度,一旦成功将可能转入试飞型号生产,在2023年计划搭载日本商人进行第一次绕月之旅,在2030年左右登陆火星,在此之前,将完成美国宇航局的月球空间站货物运输任务。

  

  和马斯克同样“疯狂”的日本富豪前泽友作(上),买下了星舰第一次绕月旅行的船票,包机。| 来自网络

  从马斯克的时间表看,火星是该公司的终极目标,但从火星本身表面环境看,目前不适合人类居住。

  火星大气压强仅为地球气压的0.6%,相当于地球表面35公里的气压,非常稀薄;火星地表温度为白天28摄氏度,一些地区可满足液态水的存在,但是晚上会降低到零下132摄氏度,赤道一些地区会高一些,平均在零下52摄氏度;火星大气成分中96%是二氧化碳,氧气含量极为稀少,因此人类不可能在这样的环境中生存。此外,火星的重力只有地球的1/3(0.38),可能导致骨质疏松等问题。

  如果人类要在火星表面生存,就必须建立火星基地,生存在人造的地面舱内。假若采用这种方法建立火星殖民地,成本太大,将无法建造火星城市。因此也有科学家提出改造火星大气,比如,用核弹摧毁火星极区的冰层,实现对火星大气的加厚和加热,或者持续释放温室气体,让火星缓慢升温,以及在火星上种植蓝藻,改善大气成分等。这部分的研究仍然处于理论阶段。

  

  火星两极存在大量干冰+水冰(白),在那里引爆核弹,可以加热大气,并得到液态水 | NASA

  在可预见的未来,火星上具备改造为人类殖民地的条件,可建立数十至数百人规模的火星基地。从更远的未来看,火星也具备成为人类新家园的硬件。

  首先,火星是岩石行星,与地球结构相似,只要能搞定火星大气问题,就能让火星变成地球;其次,火星是距离地球最近的行星,最近时约5600万千米,大概为地月距离的147倍,比其他行星更易到达,而且,它处于木星和地球之间,人类要进入深空,火星可以作为中转站,这是火星的轨道优势,再往外就是木星了,那是一颗气态行星,没有落脚的地方;其三,火星曾经有海洋,这说明火星曾经具备宜居环境。

  火星和地球有多少相似性?

  从宜居环境上看,数十亿年前的火星和地球非常相似,都有全球性的海洋、河流、山脉。火星就像一个小一圈的地球,体积更小一些。

  火星的表面充满了砂石,火星内部以富含黏土的页矽酸盐矿物、硫酸盐矿物为主,在40亿年前火星上有水和岩浆作用,在过去35亿年内,火星液态水开始消失,含铁岩石和火星大气层中的过氧化物发生作用,形成了铁氧化物,因此我们看火星就是偏红的颜色。

  除了表面物质有区别外,火星与地球的相似度是非常高的,至少在90%以上。从行星分类角度看,火星和地球都被认为是类地行星,因此火星上是可以建立殖民地的。

  

  火星与地球极其相似,无论是结构还是昼夜/季节周期。| NASA

  除了地质和内部结构与地球相似,火星上的一天大约是24小时37分,也和地球上差不多。如果宇航员在火星上生活,那么一天的作息能够与地球保持一致。由于火星公转轨道比地球轨道半径更大,因此火星上一年相当于地球的两年,大约为一年687天。火星的自转轴也是倾斜的,其赤道平面与公转平面夹角为25度,地球为23度,非常接近,因此在火星上也有四季的区分,也存在季节周期。

  虽然在太阳系外,也发现了一些类地行星,比如距离地球20光年、处于宜居带上的Gliese 581 c行星,以及600光年外、同样处于宜居带上的Kepler-22b行星。但是,它们都没有比火星更像地球。可以认为,火星是当前宇宙中与地球最相似的行星。

  各国探测行星现状

  火星作为中国行星探测的第一站,与西方主流探测方向较为一致。

  美国在过去20年对火星进行了全面探索,发射了3辆火星车和多个轨道器,基本查明了火星现状和过去演化的奥秘。欧洲的主要成就是火星快车探测器,目前已经运行了17年,仍然在工作中。印度第一个火星探测器在2014年9月进入火星轨道,成为继美苏欧之后第四个成功对火星进行探索的机构。(苏联在1960年代就对火星进行了探测,大部分任务以失败告终,火星5号曾进入过火星轨道,但取得的科学成果较少。)

  如果中国天问一号(先于阿联酋希望号)成功进入火星轨道,那么将是全球第五个成功进行火星探测任务的国家或机构。

  

  天问一号着陆器想象图。| 央视新闻

  中国本次探火目标是对火星全球有一个大致的了解,包括掌握火星全球地形地貌数据、火星表面土壤特征、物质组分和水冰分布位置,研究火星大气基本情况、电离层特征、火星磁场和内部结构等。

  由于火星与地球轨道最近点每26个月出现一次,大约两年一次,因此今年,除了天问一号外,美国、阿联酋的火星探测器也在这个月发射。美国的“毅力号”火星车预计在7月30日发射升空,进入奔向火星的轨道;阿联酋的希望号火星探测器则已于7月20日使用日本火箭发射升空,目前还在飞往火星途中。而欧洲与俄罗斯合作研发的ExoMars火星漫游车,预计将推迟到2022年发射。

  除了火星之外,金星、水星、木星、冥王星的探索任务也持续了多年,由于重要性没有火星探索强,任务时间拉得比较远。比如木星探测,从1977年旅行者探测器时代就已经开始,持续到最新一代的朱诺号探测器,前后持续了将近40年。金星探测以苏俄的成就最多,前后成功发射了11个探测器,金星7号还实现了软着陆。冥王星探测器在2006年发射,到2015年才抵达冥王星,如今新视野号已经远离冥王星,进入更远的深空,对柯伊伯带天体进行探索。

  对太阳系行星探索最强的仍然是美国宇航局,无人探测器最远已经飞出了太阳系日球层,足迹遍及太阳系所有行星。

  附录:近年来关于火星的重大发现

  2015年9月,美国宇航局宣布火星上存在季节性流淌的液态水。

  2018年6月,好奇号火星车在火星一块岩石上发现碳基有机分子噻吩(C₄H₄S),暗示火星过去有可能存在生命。

  2018年7月,科学家在整理2012年5月至2015年12月间火星探测器雷达数据时发现,在火星南极冰层下1.5千米处存在一个大型盐水湖,跨度达到20公里,是目前火星上最大的液态水体。

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