十問首次火星探測 未來我們會移民火星嗎？
2020-07-23 14:18:24
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A-【十問首次火星探測】7月23日12時41分，長徵五號遙四運載火箭在海南文昌航天發射場發射升空，成功將執行我國首次火星任務的探測器——「天問一號」送入預定軌道。
火星探測的核心問題是什麼？哪一步最難？火星移民還有多遠？人類為什麼要探測火星？
近日，新京報記者採訪中國科學院地質與地球物理研究所研究員、副所長、天問一號首席科學家助理、鴻鵠專項首席科學家魏勇，中國科學院地質與地球物理研究所副研究員、鴻鵠專項行星光學遙感首席科學家何飛，中國科學院國家天文臺研究員鄭永春，以及國家空間天氣預報臺副臺長郭建廣，揭示我國首次火星探測的奧秘。
一問：為什麼選取7月23日作為發射的時間窗口？
何飛：發射窗口的選取跟很多因素有關，最主要的因素是地球和火星之間的公轉周期關係。我們知道火星繞日公轉的周期大概是687個地球日，將近地球上的兩年，也就是說，如果是地球和火星從同一個經度出發的話，地球繞大約兩年之後，火星和地球又會回到同一個地方，也就是一般常說的火星衝日，火星、地球、太陽幾乎排列成一線。
在這種情況下，大約每26個月出現一個火星探測器發射窗口，地球到火星之間的飛行路徑是最短的，也是最省燃料的，因此一般選擇在這一段時間去發射。具體的發射日期確定，還跟實際的軌道設計、火箭的發射運載能力、地面氣象、空間天氣等密切相關。
二問：火星探測的核心問題是什麼？
魏勇：火星科學研究的核心問題，就是火星的水是怎麼演化的。火星表面上有河流的痕跡，曾經有大量的液態水在火星表面流動，為什麼今天一滴水都看不到？這是非常奇怪的。
如果有大量液態水存在，就表明人類有可能在上面居住。判斷一個行星對於人類是否宜居，第一個標準就是表面必須有大量的液態水流動，即河流海洋。其次，是大氣裡必須有氧氣，即使大氣裡沒有氧氣，只要有水，可以用水製造出氧氣，所以，水是最重要的。
現在我們已基本知道火星的水逃逸到行星際空間去了，也就是離開了火星，逃到了太空中，並且以一種不可逆的、永遠不再回來的方式。在過去幾十億年的時間裡，火星表面的液態水幾乎全部逃逸掉了。
所以我國的火星探測，一個非常核心的問題是水是怎麼通過大氣層逃逸的？圍繞這個核心問題，在天問一號之後，後續還有其他探測，要對火星的土壤進行取樣返回，在實驗室裡進行非常詳細的分析，具體看一看它的宜居性到底如何，它的水到底去了哪裡？以多大的速率逃逸？
三問：為什麼此次選擇烏託邦平原著陸？
魏勇：在選擇著陸點過程中確實經歷了很多次的遴選過程，工程方面的考慮是尤為重要的。從科學方面講，著陸區的地質特徵、磁場條件等都非常獨特，科學家團隊期望能有重要的科學發現。
四問：這一次火星探測的科研目標中，有沒有哪一些是前人沒有涉足過的領域？
魏勇：有，我舉個例子，火星車上放了一個磁強計，它能夠探測著陸地區的火星磁場，預期的探測結果對於我們理解火星的空間環境變化特性，甚至磁場演化過程都十分有意義。火星跟地球一個最大的區別是沒有一個全球性的磁場，它只有局部的磁場，這次獲得的結果應當是非常有意義的。
五問：天問一號的科學目標是什麼？
何飛：火星探測圍繞著一個主題是生命，即火星上有沒有可能存在過生命或者有沒有可能支撐生命。天問一號的科學目標也圍繞這個主題來展開，經過前期科學團隊的論證，確定了以下科學目標：
研究火星形貌和地質構造特徵，通過探測火星全球地形地貌特徵，獲取典型地區高精度地形地貌數據，開展火星地質構造成因以及演化研究。
研究火星表面土壤特徵與水冰分布，水冰的發現在火星上已經有很長時間，但是它的一些詳細分布特徵還值得去深入研究。探測火星土壤種類、風化沉積特徵和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結構研究。
研究火星表面物質組成。識別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。
研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵。探測火星空間環境及火星表面氣溫、氣壓、風場，開展火星電離層結構和表面天氣季節性變化規律研究。
研究火星物理場與內部結構。探測火星磁場特性。開展火星早期地質演化歷史及火星內部質量分布和重力場研究。
六問：此次火星探測任務為期多久？
何飛：根據探月與航天工程中心公布的信息，此次火星探測通過一次發射任務實現火星環繞、著陸和巡視三大任務，所以整個探測周期跟三大任務相關。發射後，會經過一個非常漫長的飛行過程，然後到達火星。
飛行過程大概需要7個月，預計明年2月份左右到達火星，在火星附近會實施一個制動，然後被火星捕獲，捕獲之後會首先進入環火星的一個大橢圓軌道，大概是10個火星日這麼一個軌道（一個火星日約1.02地球日）。然後在軌道上實施一些軌道機動，逐漸靠近火星、逐漸到達越來越近的軌道，完成一些著陸區的預先探測和著陸點的調整。
然後它會擇機，即根據軌道的情況擇機釋放著陸巡視器。這個時候環繞器會進行一些軌道調整，成為一顆中繼星，來為著陸器和巡視器提供信號的一個中繼。著陸器和巡視器它與環繞器分離之後，它就會進入火星的大氣再入的過程。
火星跟月球一樣，大氣非常稀薄，接近真空狀態。通過著陸器的氣動外形降落傘，還有反推發動機等多種手段緩衝，它會軟著陸於火星表面。
著陸以後，火星車和它承載的平臺會分離，開始在火星上開展巡視科學探測。在這個過程中，環繞器在中繼通信的軌道，為火星車提供通信鏈路，環繞器上相關的載荷會開展科學探測，大概會運行90個火星日以後進行軌道調整，這裡的火星日大概和地球日的時間差不多，進行軌道調整之後，最後它會進入一個遙感的使命軌道，開展相關的科學探測。
七問：火星探測有哪些難點？
鄭永春：火星探測是一個技術非常困難的項目，現在為止全球大概進行了40多次火星探測，成功率大概不到一半左右。所以大家首先會覺得火星探測的失敗率非常高，難度非常大，這是一個客觀現實。
但所謂成功率不足一半是指從1960年到現在大概60年的時間裡一個整體的統計數據，如果看上世紀90年代以來或者2000年以來，火星探測的成功率可能會達到80%以上，因為2000年以來火星探測的相關技術已取得了重大突破，技術越來越成熟。
對於中國的第一次火星探測來講，最大的問題就是未知，我們是第一次去，我們甚至沒有火星的大氣第一手數據，因為我們沒有實地探測過這個數據，是用前人的一些積累經驗進行探測，所以這裡面不確定性可想而知。
首個關鍵的節點當然是發射，不管任何時候脫離地球引力都是一種高風險，像長徵五號這樣一款新型火箭，發射的次數有限，更需要保持一個謹慎的態度，確實會存在一定風險。
第二個關鍵節點，當火星探測器從地球發射升空，進入到奔火軌道入口時，就跟太空飛行器分離，太空飛行器將獨自奔赴火星，奔赴火星七個月之後，最關鍵的一個節點就是要在火星附近剎車。剛抵達火星附近時，時速非常高，至少上萬公裡以上，此時剎車點非常關鍵，如果剎不住，就不會環繞火星，如果運氣不好，還有可能撞上去，當然這個可能性比較小。所以，剎車的節點直接決定了我們能不能成功環繞火星。
第三個關鍵節點、對全世界來講也最困難的就是進入火星大氣的過程。我們叫「恐怖7分鐘」或者「黑色7分鐘」，即太空飛行器從火星上空進入火星大氣層，短短7分鐘直接決定了太空飛行器的生死。因為火星和地球之間的遙遠距離，地球上無法控制指揮，這個過程只能靠太空飛行器自動調整，只能靠設計好的程序來執行，沒辦法進行幹預，接下來只能聽天由命，看它在7分鐘之後能不能告訴我們一個成功的信號，這個風險確實非常大。
最大困難是既要環繞也要著陸，著陸後還要開出一個小車，難度是一步步遞增，我國探月工程等成功經驗給火星探測奠定了非常好的基礎，也會使得這次火星探測增加很多信心。
八問：空間天氣將如何影響探測器？
郭建廣：我們普遍理解的天氣是指30公裡以下的大氣層的活動現象，比方說颳風大雨，這都屬於地面天氣的範疇。30公裡以上中高層大氣、電離層、磁層，一直到太陽，整個日地空間範圍內的空間環境的狀態或者變化，我們稱為空間天氣。
空間天氣會影響人類天基和地基技術系統的正常運行和可靠性，空間天氣事件的主要源頭就是太陽活動。通俗點說，主要影響的是太空飛行器的安全運行，其次是導航和通信。
正如人們的生活受到自然界的風霜雨雪影響一樣，靜謐的太空也有著神秘莫測的「空間天氣」。空間天氣中的「風」是太陽風，「雨」是來自太陽的帶電粒子雨。劇烈變化的空間天氣狀態對人類的航天活動的有非常嚴重的影響，空間天氣災害可使衛星提前失效乃至隕落，通信中斷，導航、跟蹤失誤等。
自地球上有生命以來，地磁場在地球表面形成的龐大磁層，保護了地球的大氣層，而且濃厚的大氣層中和了大部分宇宙射線對人類和其他生命的傷害性輻射。對於環繞地球的衛星來說，地磁磁層對它們也有一定的保護作用。火星探測器在行進過程中，大部分時間處於行星際空間，少了地球的磁層天然保護屏障，探測器就會受到來自宇宙線和太陽高能粒子直接影響，有可能發生單粒子事件，就會對探測器的安全飛行產生影響。
而且隨著時間推移，火星探測器離我們越來越遠，信號的延遲最長可達20分鐘，對探測器的狀態監測和異常應對，總是在滯後，因此火星探測器奔火旅程有點像「裸足狂奔」，需要一些特別的設計，才能保證它按照既定路線前進。
後期的環繞，降落和巡視，更需要綜合考慮火星地表的塵埃和沙暴，火星大氣和空間環境，這些與地球的差異比較大，都需要空間天氣的保障，因此空間天氣貫穿了火星之旅的全過程。
九問：如果探測發現火星適宜人類居住，未來我們會移民火星嗎？
魏勇：按照目前的理解，太陽現在處於壯年期，當它演化到老年期的時候，會變成紅巨星，甚至可能會膨脹到地球的軌道，讓地球不再宜居。有沒有可能移民其他行星？這個是當前大家比較關注的問題。我認為，不是沒有這種可能性。
但是，即使研究發現火星可能支撐人類居住，開展火星移民也還有漫長的路，代價非常高昂。可能會有一部分比較熱衷於冒險、有好奇心的人作為探路者率先移民到火星。這一少部分人在火星上建立有人值守的科研站和一些人類比較初步的聚集地等，應該會有很多人熱衷於從事這樣探索性的工作。
十問：人類為什麼要探測火星？
魏勇：人類對行星探測的熱情主要是好奇心驅動，這個好奇心主要是來自於對哲學終極問題的思考：我們人類從哪裡來，向哪裡去，我們在宇宙中是否孤獨？對這三個問題追尋答案的過程貫穿所有的古老文明，尤其表現在神話體系上。作為四大文明的中華文明就十分典型。
人們曾經認為最有可能在月球上找到生命，接著把希望放在火星上，然後又把目光投向土衛六等更遠的行星衛星。在過去的半個世紀，人造飛船幾乎訪問了所有行星和大部分的重要天然衛星，最終發現，可能還是火星存在生命的希望最大。
至少我們已經知道，火星在40億年前曾經是溫暖溼潤，遍地是河流的。那麼火星的現在到底代表了地球的昨天還是明天？人類還能在地球上生存多久？人類有可能移民火星嗎？這些涉及全人類的問題讓火星成為行星探測最重要的目標。而且，對火星的探測與研究有助於人類進一步認識地球和太陽系的形成和演化，預測地球的未來變化趨勢。
行星探測也是當今難度最大的科學探測活動，進行一次行星探測，需要舉全國之力，需要基於前沿的行星科學研究，以及先進的工業製造，通常進行一次探測，至少需要成千上萬人進行團隊協作，各種尖端技術相結合。
所以從某種角度上講，行星探測能夠很好地體現綜合國力。目前成功探測火星的只有美國、前蘇聯、歐盟等，最近阿聯首個火星探測已發射成功，但是真正考驗要在未來7個月的漫長飛行以及明年2月份左右的入軌。以前很多次探測都失敗在了入軌上。
中國跟阿聯探測是完全不一樣的，中國完全是自主進行火星探測，阿聯是從日本發射，他們跟美國和日本合作，所以我國有可能成為第4個進行獨立火星探測的國家，這是跟我們國家改革開放以來經濟和科技快速發展分不開的，綜合國力有很大的提升。
不僅有第一次的火星探測，還規劃了第二次火星探測任務，難度更大，第二次探測要實現採樣返回，要把火星表面的土壤帶回地球。所以從這個角度上來講，火星探測的規劃和成功的實施，會體現出我們整個綜合國力，這也是實現中華民族偉大復興道路上的一個裡程碑事件。
責任編輯：李海嘯