火星沙塵暴肆虐！天問一號火星車會重蹈美國「機遇號」覆轍？

「天問一號」火星探測器的發射準備工作一切就緒，即將由長徵五號遙四火箭送上太空。如一切順利，它將在2021年初飛抵火星，在經過複雜的軌道調整後，著陸器將攜巡視車在火星預定地點登陸。

關注「天問一號」的朋友一定注意到咱們中國火星車背部那四片碩大的太陽能面板，它水平展開的樣子像一對蝴蝶的翅膀，由此帶來一個疑問：它能抵擋火星上那漫天的沙塵嗎？

天問一號火星車模型

「機遇號」死於火星沙塵暴

火星是距離地球較近的一顆巖石星球，由於其表面環境相對沒那麼惡劣，因此成為航天大國開展行星科學研究的理想之地。迄今為止，人類已經向火星發射了數十個無人探測器，而成功著陸者寥寥。它們分別是1972年前蘇聯的「火星3號」，1997年美國「火星探路者」，2004年的「機遇號」和「勇氣號」，2008年美國的「鳳凰號」，2012年的「好奇號」，以及2018年的「洞察號」。其中「火星3號」在著陸後110秒毀於火星的沙塵暴，「機遇號」也因為太陽能電池被沙塵覆蓋而宣告死亡。

機遇號太陽能電池板被沙塵覆蓋

從「機遇號」2014年的兩張全景相機自拍照片我們可以看出，它背部的太陽能電池板有時幾乎被富含氧化鐵的沙塵完全覆蓋，左圖的透光率僅55%，右圖因為被風拂去了些沙塵，透光率回升至77.7%，發電量也隨之恢復到0.574千瓦時/天。如果你知道火星車太陽能電池的設計供電能力是900Wh，就能明白沙塵暴的影響究竟有多大了。

好奇號火星車2012年與2019年自拍對比

「好奇號」火星車由於採用了核電池供電，它不依賴太陽能，因此也無懼風沙。2012年乾乾淨淨地抵達火星，至今一身黃土還能正常工作。

不像在地球，你可以用袖子擦掉愛車上的沙土；當年登月的阿波羅太空人也可以用專門設計的毛刷拂去月球車散熱器上厚厚的月塵。人上不了火星，火星車上也沒法裝刷子，為了除掉塵土多爭取些電能，科學家們可謂是薅光了頭髮想破了腦袋。

阿波羅太空人用靜電刷掃去月球車上的塵土

「機遇號」太陽能電池板的表面很光滑，在有風的情況下可以吹走一部分塵土；當無風時，地面控制人員會遙控火星車爬斜坡，依靠車體的振動讓沙塵滑下來。這種方法大多數時候有效，除非沒有風又無坡可爬。

2018年，火星上爆發全球性沙塵暴，「機遇號」受困，因電力不足進入休眠狀態。由於無法抖落身上覆蓋的沙土，2019年NASA宣布放棄這輛已經超期服役14年的火星車。

「機遇號」依靠爬坡振動使塵土滑落

火星上為什麼會有沙塵暴？

這是許多朋友一直糾結的問題：都說火星上空氣稀薄，它表面的平均大氣壓僅有600Pa，是地球海平面標準氣壓（101kPa）的0.6%，它怎麼能颳起沙塵暴呢？

火星是一顆死亡了的星球。科學家們認為，大約30~40億年前，火星也曾是一顆擁有浩瀚海洋、稠密大氣、適合生命繁衍的星球。然而由於活躍的地質運動，火星內部的熱量迅速失去，它的鐵核凝固，磁場消失。本身質量小，又失去磁場保護，火星無法抵禦太陽風的襲擊，大氣層被太陽風的帶電粒子分解後再一點點吹走；氣壓的降低導致火星表面水份蒸發、分解，經過幾十億年，火星變成了一顆乾燥的死亡星球。

太陽風帶電粒子吹走火星大氣

正因為火星表面覆蓋著薄薄的大氣，大氣層中又主要是二氧化碳這種溫室氣體，造成火星地表的熱慣量很低。當有陽光照射時，空氣與土壤很容易被加熱，而在陽光照射不到之處，熱量流失的也很快，晝夜溫差常常高達50℃。巨大的溫差直接導致的結果就是火星上的風速很快，環繞火星飛行的探測器有時能錄得時速超過160公裡的沙塵暴。

由於沒有水，火星地表覆蓋著許多細小的紅色粉塵，當有時速超過112公裡的風吹過時，地表的顆粒物會發生滾動彈跳，它們互相撞擊，有一些被吹到空中，這就是地質學中的彈跳（Saltation）現象。

沙塵暴原理簡圖

火星大氣中懸浮著大量直徑小於3微米的塵埃，它將火星的天空染成了紅色。儘管大氣稀薄，但火星的重力加速度也很低，這使得細小粉塵可以在靜電力和範德華力的作用下長期懸浮在空中。而大風吹起的20μm左右的顆粒物也能在火星大氣中懸浮幾個月時間，並被氣流帶到很遠的地方。

沙塵暴席捲整個火星前後對比

「天問一號」的探測任務

「天問一號」上搭載了許多科學探測設備，而中國火星車的其中一項重要科學任務就是研究火星的天氣，因此科學家們將巡視器的著陸區選在了火星北部的衝擊盆地。

「天問一號」預選的兩個著陸區

這兩個預選著陸區非常廣闊，地勢相對平坦，有利於第一次火星著陸嘗試。由於遠古時期的強烈撞擊，大量火星地下物質湧出地表，也有助於對火星地殼之下地質情況的研究與分析。

預選著陸區照片

選擇這裡的另一個原因是，這些區域是火星沙塵暴的主要發源地。在北半球的夏天，太陽照射火星北半球的地表會使溫度急劇上升，從而更容易引發沙塵暴。一般情況下火星地表平均發生沙塵暴的概率大約是0.9%，而在「天問一號」預選著陸區附近的發生概率則可能高達7%。

也就是說，咱們的火星車實際就是奔著沙塵暴去的！

著陸區沙塵暴多發

「天問一號」火星車上除了搭載有地形相機和多光譜相機外，還安裝了測地雷達、多組氣象感應儀器、磁場探測以及火星表面成分探測儀，這些設備都有助於在漫天風沙中分析研究火星的氣象和地質情況。

「天問一號」火星車展開部署想像圖

火星車為迎接沙塵暴的考驗做好了準備。

當著陸器在火星表面著陸時，它的太陽能電池板處於摺疊的狀態，這表明天問一號火星車的太陽能電池板並非像「機遇號」那樣固定不動，它可以水平展開，也能像蝴蝶翅膀那樣豎起或傾斜。這樣，當太陽能電池組件上覆蓋了灰塵之後，地面控制站的專家們不需要像NASA的科學家那樣一邊薅頭髮一邊琢磨著怎麼讓火星車抖落塵土，只需輕輕立起帆板，就能將沙塵清除。

其實這麼簡單又有效的操作，我們登月的嫦娥與玉兔月球車早已經實現了。

部署前，太陽能帆板處於摺疊狀態

因此，即便是「天問一號」降落到火星沙塵暴肆虐的地區，我們也大可不必擔心它重蹈「機遇號」的覆轍，發什麼「天黑了」之類的悲情信息。它一定能在火星表面留下中國科學工作者的足跡，圓滿地完成科學探索任務。

火星沙塵暴

讓沙塵暴來得更猛烈些吧！「天問一號」已經準備好了！