為「天問一號」獻禮！「火星探索」專題：四、環繞火星

2020年7月23日12時41分，中國海南文昌航天發射場，中國首個火星行星探測器「天問一號」搭載長徵五號遙四運載火箭發射升空，正奔向火星！從古至今，人類從未停止過探索火星的步伐。火星距離地球的最近距離為5500萬公裡，最遠距離為4億公裡。科學界一般認為，探測火星對研究宇宙演化、物質結構、生命起源等問題有重大價值，從人類未來星際移民前景來看，火星也是太陽系中最值得研究的一顆行星。由於地球和火星的公轉周期不同，兩個行星大約每兩年「相遇」一次，即地球與火星之間的距離最近，在此期間從地球上發射火星探測器可以縮短抵達火星耗時，節省燃料，降低「探火」成本。今年7月至8月迎來兩年一次的發射窗口期！北京時間20號06時58分，日本鹿兒島縣種子島宇宙中心。伴隨轟鳴，一枚H2A運載火箭發射升空，火箭上搭載著阿拉伯聯合大公國「希望」號火星探測器。這是阿聯首個火星探測器，也是今年發射窗口期啟程的全球第一個火星探測器。在這之後的7月23號,我國首個火星探測器「天問一號」發射升空，任務目標是通過一次發射，實現火星環繞、著陸和巡視探測，獲取火星探測科學數據。而預計當地時間7月30日，美國航天局「毅力」號火星車計劃發射升空，並將攜首架火星直升機「機智」號一同前往火星。其任務包括尋找可能在火星上存在過的生命跡象，探索火星的氣候和地質特徵，收集樣本以備未來送回地球，為人類登陸和探索火星探路等。

在這一具有歷史性意義時期，佰思科學特別推出「火星探索」系列專題，回顧人類從古希臘至今探索火星的過程及有趣的故事，這是世界各國科學家一代接一代的傳承。而「天問一號」的發射，也標誌著我國在探索火星中，走在了世界的前列！

佰思科學「火星探索」專題總計8篇，從「望遠鏡裡的火星」開始，以「天問來了」結束。感興趣的，請持續關注我們！

作者：佰思科學| 沈東旭 邱亞明

環繞火星

水手九號

1971年11月14日，水手九號進入火星軌道。這是人類歷史上，第一個成功入軌的環繞地外行星的探測器。水手九號圍繞火星一直工作到了1972年10月27日。在這349天裡，水手九號在距離火星1650千米的軌道上，拍攝了7329張照片，覆蓋了火星85%的表面積。更重要的是，照片的精度很高，達到了每像素98米的水平，比之前提升了8倍有餘。因此，水手九號取得了很多重大發現。

水手九號拍攝的火星地表照片

水手九號剛進入火星軌道，就看到了驚人的一幕：火星表面煙塵滾滾，整個大氣渾濁一片，地表細節完全看不清楚。原來，這時候的火星發生了全球性的沙塵暴。火星大氣雖然稀薄，但是由於火星表面沒有海洋和植被，因此一旦颳起大風，會蔓延到火星全球，造成遮天蔽日的全球性沙塵暴。

火星晴天與沙塵暴期間的對比（2001年由美國宇航局火星全球勘探者號拍攝）

早在1796年，法國天文學家奧諾雷·弗洛熱爾格（1755-1835）就報告說，火星表面像「被面紗遮住一樣」。這可能是人類對火星沙塵暴現象最早的觀察記錄。但直到水手九號環繞火星的時候，人類才第一次知道，火星上會有如此強烈的沙塵暴天氣。

水手九號拍攝的火星沙塵暴細節

自此以後，火星沙塵暴成了很多火星電影的重要情節。在2000年的電影《火星任務》中，火星上強有力的龍捲風將太空人直接吸了進去。

電影《火星任務》中火星龍捲風的場面

再有，馬特·達蒙主演的《火星救援》，沙塵暴吹起的天線罩將這位主角砸昏，無法登上返回地球的火箭，被留在了火星上，只能想辦法自救求生，等待救援。

在火星漫天沙塵中艱難行走的馬克·沃特尼（馬特·達蒙飾演）

其實火星上的沙塵暴遠沒那麼恐怖。火星的空氣很稀薄，不到地球的1%，因此火星上再大的風，和地球的風比起來，不過是和風吹面的感覺。關於火星的沙塵暴，後面還會細說。當水手九號把火星沙塵暴圖片發回地球之後，地面控制中心很明智地暫停了水手九號的觀測任務，等待沙塵暴的結束。一直到了1972年1月中旬，火星上的狂暴天氣逐漸平息，水手九號終於能為火星拍照了。

水手九號從上方拍到的奧林匹斯山（1972年）

水手九號做出的另一個重大發現，是確認了太陽系中最高的山--奧林匹斯山。它比火星的「海平面」，嚴格來說叫基準面，畢竟火星上沒有海，高出了足足有21287.4米，到山腳的高度是26000米。

水手九號從側面拍攝的奧林匹斯山

相比之下，地球上的最高峰珠穆朗瑪峰，海拔高度不過八千八百多米；如果從山腳算起，夏威夷群島中海拔4207米的茂納凱亞火山是地球上的最高峰，從旁邊的海溝算起高度是10203米。顯然，地球最高峰也就是火星最高峰的一半左右。

奧林匹斯山（最高者）與珠穆朗瑪峰（左下）和茂納凱亞火山（右下）對比

奧林匹斯山是一個死火山口，日積月累流出的火山熔巖使其遠遠高出地表。有人認為，火星擁有太陽系最高峰，和它本身比較小有關。火星的直徑大約是地球直徑的一半，引力小於地球，相應的山的高度就能長到地球的一倍。

火星與地球的大小比較

別看奧林匹斯山這麼高，對登山者卻很友好，因為它的坡度非常平緩，外圍地方的坡度只有5°，頂部甚至只有2.5°。我們都知道，攀登地球最高峰珠穆朗瑪峰是對人類的巨大挑戰，但普通人都能登上太陽系的最高峰，當然前提是你能到達火星那裡。

計算機生成的奧林匹斯山效果（NASA）

如果真的登上山頂，你就會發現這山實在是太大了：它的寬度足有600千米，從山頂根本望不到山腳。

遠看奧林匹斯山（計算機效果圖）

水手九號另外一個重大發現，就是著名的水手號大峽谷。火星上不僅有太陽系最高的山，還有太陽系最大最壯麗的峽谷，讓地球人殖民火星又多了一個理由。

水手九號拍攝的水手號大峽谷

水手號峽谷長度超過4000千米，而火星的周長是21344千米，或者說這大峽谷的長度超過火星半周長的三分之一。在火星的全景照片上，大峽谷顯得十分突出。

水手號峽谷全景圖

地球上著名的科羅拉多大峽谷，長446千米，最深處大概2000米，而水手號大峽谷最寬處200千米，很多地方深達6、7000米，最深處有8000到1萬米，其壯觀程度遠非科羅拉多大峽谷可比。

科羅拉多大峽谷

在峽谷的最西面，是密密麻麻迷宮一般的區域，被稱作諾克提斯迷宮。

水手九號拍攝的諾克提斯迷宮區域

中間最寬的區域，被稱作米拉斯峽谷，其上方是堪德峽谷。堪德峽谷上方又是俄斐峽谷。

從左至右：俄斐峽谷、堪德峽谷、米拉斯峽谷（電腦模擬效果）

如果這些峽谷中真的有水的話，它們將非常的美麗。實際上，在火星久遠的過去，這些峽谷中真的流淌過水。

水波蕩漾的水手號大峽谷（電腦模擬效果）

或許有一天，人類能改造火星，讓液態水再次在火星表面流淌。

水面覆蓋火星表面效果模擬

這裡再多說一句。在水手九號之後，還有用來探測金星和水星的水手十號。而水手十一號和十二號，則被重新命名為旅行者一號和旅行者二號。這兩艘目前仍在運轉的太空船，正在向遠離太陽的方向進發，最終將脫離太陽系，進入茫茫無垠的宇宙空間。

旅行者一號（藝術效果圖）

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下期預告：著陸火星