「圓桌問答」從地球到深空

節選自墨子沙龍「探索與徵服：從地球到深空」活動（2020年7月26日）的圓桌問答環節。參與嘉賓：竇賢康、汪毓明；主持人：潘建偉。

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提問：火星上的氧元素是以什麼形式存在的？火星的宜居性到底體現在哪裡？

汪毓明教授（以下簡稱「汪」）：火星上有很多游離的氧。火星大氣的成分有甲烷、二氧化碳等，但是氧氣的含量比較少，所以它並不是一種適於人類能夠直接呼吸的環境，而且火星大氣非常稀薄。火星的氧還以其他方式結合在礦物裡面，各種硫化物裡面。

關於它的宜居性。現在很多火星探測器已經去過火星，成功的已經有23次。從空間環境再到地表的地質勘察，可以看到很多痕跡，類似地貌可以在地球上的沙漠、戈壁灘地帶發現。從很多的間接證據，可以判斷火星以前可能是宜居的，而且根據一些大樣本，包括行星的整個演化、整個太陽系的演化，理論上推演發現，火星可能是在42億年前突然由於失去了內稟磁場，才慢慢變成現在並不宜居的狀態。

潘建偉院士：好，火星比較遠，改造還得幾千萬年才能宜居，所以我們還是先關心下地球空間。我看過一個科幻片：因為某種原因地球越來越熱，有幾位地球科學家，他們算出來有大概率地球馬上就要回到冰凍期。從科學上講，這種事情是真的會發生嗎？因為非線性過程，是不是達到某種程度之後，馬上會回到冰凍期，忽然就變冷了？

竇賢康院士（以下簡稱「竇」）：從能量守恆角度來看，首先一點，我們假設地球發生劇烈變化，一種可能就是它的輸入源發生了大的變化。比如太陽常數從每平方米1.38瓦突然變到5瓦，那肯定是熱死了；如果太陽常數從1.38瓦變成0.56瓦了，那肯定是冷死了。

就我的知識而言，如果太陽本身不發生大的變化，地球發生災難性變化的可能性不大。但確實歷史上有一些記錄，比如說冰河期，溫度有一些變化，那些變化客觀講，是局限在一些區域裡面的，比如說加拿大地區。就像暴雨一樣，短期內可能會增加很多。但地球系統是一個非常好的反饋系統，比如二氧化碳多了，就會把輻射的紅外能量截流，能夠在一個更高的位置上達到平衡，這是基本的物理定律。

變暖有利於雨水增加，有利於森林面積的增加。這個恰恰好會把溫度升高的效果往下降低，所以它會在很大程度上達到一個平衡。二氧化碳濃度在不斷的升高，但是現在沒有明顯的證據證明溫度在持續增高，還是在一個可控的範圍之內。

提問：除了火星，我們還能不能去別的星球？為什麼中國第一個行星探測目標選擇火星，而不是金星，是科學意義上還是技術上的考慮？

汪：我們國家目前為止深空探測計劃在2030年以前已經部署了4個，火星自主探測是第一個。還會有小行星和主帶彗星探測，再下來是火星自主採樣返回，再往後是木星系探測以及太陽系邊際的穿越。除了火星，我們還要去其他地方，但我們要一步一步的走，我們在這個過程當中才能鍛鍊我們深空探測的能力。

像金星，其實也在規劃認證當中，而且這些其實都已經規劃認證了很久。之所以周期長，是因為風險太大，而且去一次不容易，周期都很長，所以我們要非常仔細的來規劃它。

我們第一個挑選火星，當然我不知道我的認識是否正確，首先火星探測的科學意義很重大，它是地球之外七大行星裡面最可能找到地外生命痕跡的一顆行星。其次，火星表面都能看得清，它的著陸風險要比金星小得多。金星有濃密的大氣，幾百公裡厚的大氣裡面每秒鐘幾千次的閃電，所以幾乎沒有什麼東西能夠很順利的落下去，它的探測風險要比火星高得多。但是這些也都阻止不了我們，我們未來一定會去金星，然後還有木星……

提問：近地空間的太空垃圾會撞擊到太空飛行器和地球嗎？

竇：目前這種碰撞真實發生的案例還是比較少的，但是隨著將來人類活動的越來越頻繁，將來留在空中的垃圾就會越來越多，將來碰撞的機率就會越來越大。但是人類技術也在進步，現在比較好的飛行器本身會裝一些預警裝置，比如方向雷達，通過探測距離和計算，一旦發現有碰撞可能，就稍微噴發一點能量來調節一下軌道，就會避免碰撞的發生。

提問：汪院長您好，請問您研製的火星磁強計在火星探測器上的具體作用是什麼？研製過程中最大的困難，您覺得是什麼？

汪：我們這次火星探測是「繞、落、巡」三步一起走，火星磁強計是在環繞器上繞著火星轉。在環繞器上我們會有一個三米多的升杆，升杆上會放兩個磁強計探頭，它的作用就是精密的測量它所在位置的磁場，即火星空間環境當中的磁場。這些磁場會有什麼作用？太陽風和行星際空間裡面，兩種最主要的要素一個是磁場，一個是等離子體，而等離子體大部分凍結在磁場上。所以這些磁場的測量能夠給出我們很多它在火星周圍空間環境的一些物理過程，包括物質和能量的輸入，大氣的逃逸等等一系列直接或者間接相關的一些信息。這是磁強計的作用。

你可以看到所有國際上的深空探測中，磁強計和等離子體探測器幾乎是必備的兩個探測儀器。我們這些團隊在開始做這個平臺的時候，也就是瞄準了這兩個要素。

困難在哪呢？我們之前並沒有經驗，可以說在國家的深空探測計劃裡，中國科大是第一個也是目前唯一一個承擔這種單機級別的科學載荷的高校。以前的所有這些國家重大航天工程，它的載荷都不願放到高校來做，而是放到研究所或者其他專門的機構。但高校有高校的優勢和特點。高校有跨學科交叉的可能，我們團隊可以和其他院系、領域的專家一塊來攻關。

會碰到很多的困難，因為跟在實驗室裡面做一個設備不一樣，它要上天，它要能夠防震動，防高低溫以及紫外輻射，等等。要選用航天級別的元器件，所有的電路，甚至擰一個螺帽，都需要是航天級別的資質來做，做完之後還要做一系列環境的試驗，然後還要做一系列的標定試驗。我們整個團隊一年365天，300多天都是要麼出差，要麼在出差的路上。泡在實驗室裡，每一個環節一點都不能出差錯。

汪毓明：中國科學技術大學地球和空間科學學院執行院長、中科院比較行星學卓越創新中心主任、中科院B類先導專項「類地行星的形成演化及其宜居性」首席科學家。主要從事日冕與行星際介質動力學和行星空間環境方面的研究，同時帶領團隊開展空間粒子和磁場探測技術的研發，服務國家深空探測計劃。其牽頭完成的「日冕物質拋射的傳播演化和地磁效應」研究成果獲2018年度教育部自然科學一等獎。

竇賢康：中國科學院院士，武漢大學校長，第九屆湖北省科協副主席、第十三屆全國人大代表。法國巴黎第七大學博士，曾任中國科學技術大學地球和空間科學學院執行院長，黨委常委、副校長，黨委常務副書記。長期從事中高層大氣理論、觀測與實驗綜合研究，多年來堅持針對學科前沿問題，獨立自主研製了系列雷射雷達觀測系統，車載測風雷射雷達系統填補了國內在該領域的空白，技術水平達到國際領先水平；國際上首次研製成功基於上轉化技術的量子雷射雷達，開創了一種雷射雷達探測新體制；基於在觀測設備上的開拓性工作，在中層頂區域大氣動力學和光化學等領域的研究取得了系統性和創新性成果。

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