火星探測(cè)的里程碑

“天問(wèn)一號(hào)”目前正在火星軌道上開展觀測(cè)，這是我國(guó)的第一枚火星探測(cè)器，可謂意義非凡。經(jīng)由這次任務(wù)，我國(guó)正式加入了火星探測(cè)者的行列。近六十年來(lái)，已經(jīng)有超過(guò)30組探測(cè)任務(wù)成功造訪了火星——他們是如何推動(dòng)我們對(duì)火星的認(rèn)知的？

世界各國(guó)火星探測(cè)成就。（自制，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。)

Part 01

探索年代

1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星：Sputnik-1號(hào)。自那以后，人類立刻開始規(guī)劃造訪地外行星。很快，1960年前蘇聯(lián)就搶先開始了探索火星的征程，于1960年、1962年展開了共五次火星探測(cè)器的試射，可惜未能獲得成功。

1960年，前蘇聯(lián)試射的1M No.1火星探測(cè)器的模型

緊接著，美國(guó)人后發(fā)先至，1964年發(fā)射的水手4號(hào)探測(cè)器（Mariner-4），于1965年7月15日（最近點(diǎn)）成為人類第一枚飛掠火星的探測(cè)器，最近距離9846千米。它拍攝了人類的第一張火星“近照”，傳回了約634kB的數(shù)據(jù)，且發(fā)現(xiàn)在火星上有著類似月球表面的撞擊坑。這在一定程度上可以說(shuō)明火星地質(zhì)活動(dòng)沉寂已久，這出乎了科學(xué)家們的預(yù)料。它還遙測(cè)到，火星表面氣壓大約是410到700帕斯卡，晝間溫度大約-100℃。

水手3號(hào)和水手4號(hào)的模型（左上，二者設(shè)計(jì)相同），水手4號(hào)拍攝的最清晰的火星照片，可見(jiàn)撞擊坑（右上），手工上色的人類第一張火星近照（下）

1969年2月25日和3月27日，美國(guó)發(fā)射了水手6號(hào)、7號(hào)，并分別于7月31日，8月5日飛掠了火星（指最近點(diǎn)）。兩枚探測(cè)器對(duì)火星表面的拍照大約覆蓋了約20%的面積，一共傳回了201張照片。二者還對(duì)火星大氣層進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其大氣主要成分是二氧化碳，但火星表面也有痕量的水。

水手7號(hào)飛近火星時(shí)拍攝的兩張火星半球照片（上）及水手6、7號(hào)的模型（下）

Part 02

火星大航海

前蘇聯(lián)和美國(guó)的太空競(jìng)賽在1970年前后達(dá)到高潮。1971年5月19日和28日，前蘇聯(lián)發(fā)射了火星2號(hào)、3號(hào)（Mars 2， Mars 3），5月9日和30日，美國(guó)發(fā)射了水手8號(hào)、9號(hào)。美蘇兩家的目標(biāo)都是在火星部署軌道器。

水手8號(hào)發(fā)射失敗，但是水手9號(hào)十分爭(zhēng)氣，竟然再次后發(fā)先至，搶在前蘇聯(lián)的兩枚探測(cè)器之前切入火星軌道，于1971年11月14日，成為了人類第一枚火星軌道環(huán)繞器。水手9號(hào)在火星軌道上工作了519天后關(guān)機(jī)，在其前349天的工作中，它共傳回了7329張照片，觀測(cè)了大量過(guò)去的任務(wù)未能仔細(xì)觀察的區(qū)域。它發(fā)現(xiàn)了大量的火星表面細(xì)節(jié)特征，包括河床、撞擊坑、還包括太陽(yáng)系中地球之外的第一座，也是最大的火山：奧林匹斯火山。其觀測(cè)數(shù)據(jù)直接指導(dǎo)了美國(guó)接下來(lái)的“海盜（Viking）”系列任務(wù)。

上：水手9號(hào)模型；左下：水手9號(hào)發(fā)現(xiàn)的火星表面迷宮一般的地貌；右下：水手9號(hào)拍攝的奧林匹斯火山。

前蘇聯(lián)的火星2號(hào)、3號(hào)雖然沒(méi)有搶到第一的位置，但本身也是非常優(yōu)秀的探測(cè)器。11月27日和12月2日，兩枚探測(cè)器相繼進(jìn)入火星環(huán)繞軌道。在進(jìn)入軌道的同時(shí)，二者分別釋放了一個(gè)著陸器，每個(gè)著陸器里還藏著一個(gè)小小的巡視車?；鹦?號(hào)著陸器沒(méi)能成功著陸，成為了首個(gè)墜毀在火星表面的人造物；火星3號(hào)著陸器成功軟著陸，但似乎被火星當(dāng)時(shí)的強(qiáng)烈沙塵暴損壞了。它著陸后104.5秒就失去了信號(hào)，只傳輸回一張殘缺的圖片，成為了人類首個(gè)在火星軟著陸的探測(cè)器。火星2號(hào)和3號(hào)也開展了廣泛的火星表面測(cè)繪工作，測(cè)量出奧林匹斯山那驚人的22千米的高度，發(fā)現(xiàn)火星表面溫度在-110℃至13℃之間，沙塵暴高度可達(dá)7千米。此外，他們還攜帶了磁場(chǎng)、重力等相關(guān)測(cè)量裝置，測(cè)定出火星電離層高度大約80-110km?；鹦?號(hào)著陸器還拍攝了人類第一張火星表面的照片——雖然只有70行。據(jù)前蘇聯(lián)Lavochkin設(shè)計(jì)局當(dāng)時(shí)的總設(shè)計(jì)師V. G. Perminov透露，這張圖片是一張“灰色底色但沒(méi)有細(xì)節(jié)”的圖片。

Mars 2，Mars 3的設(shè)計(jì)圖（上）和巡視器模型（左下），著陸器模型（右下）

在航天工程領(lǐng)域，運(yùn)氣的成份似乎一直占比很大。從上面的任務(wù)開始，美蘇的“火星運(yùn)”就開始走向兩個(gè)極端。前蘇聯(lián)連戰(zhàn)連敗，后續(xù)的多個(gè)著陸器都失敗了，一直遺傳到現(xiàn)在的俄羅斯，后面甚至傳染給了歐盟；美國(guó)卻連戰(zhàn)連捷，鮮有敗績(jī)，漸漸成為了火星探測(cè)的老大哥。

1975年8月20日和9月9日，美國(guó)NASA發(fā)射了海盜1號(hào)、2號(hào)（Viking 1，Viking 2），并分別于次年7月20日、9月3日成功著陸。海盜1號(hào)成為了人類第一枚成功從火星表面?zhèn)骰赝暾麛?shù)據(jù)的著陸器。海盜1號(hào)和2號(hào)主要研究了火星表面土壤的性質(zhì)，并嘗試尋找生命的痕跡——當(dāng)然是沒(méi)有找到了。從這次任務(wù)中科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，火星地表土壤主要是玄武巖風(fēng)化之后的產(chǎn)物，且含有豐富的硅、鐵，和硫、氯等。鉀含量大約是地球地表的五分之一左右?？偟膩?lái)說(shuō)，可能并不適合類似地球生命的碳基生命生存。

上：海盜1號(hào)拍攝的人類第一張火星表面照片。中左：海盜號(hào)著陸器和軌道器總體。中右：海盜號(hào)著陸器的模型。下：海盜2號(hào)著陸器于火星正午拍攝的高分辨率全景拼圖（其中色彩來(lái)自于低分辨率相機(jī)）

Part 03

拓寬視野

海盜號(hào)之后，隨著太空爭(zhēng)霸重心的轉(zhuǎn)移，火星探測(cè)漸漸沉寂下來(lái)。到1990年前后再次掀起火星熱的時(shí)候，政治目的開始減弱，科學(xué)目的成為了火星任務(wù)的第一考量。

前蘇聯(lián)在多次試圖著陸火星失敗之后，可能決定換種思路——改為探測(cè)火星的衛(wèi)星，火衛(wèi)一“Phobos”。1988年7月7日，前蘇聯(lián)發(fā)射了“Phobos-2”探測(cè)器，希望對(duì)火衛(wèi)一進(jìn)行軌道觀測(cè)，并向火衛(wèi)一部署一個(gè)觀測(cè)站和一個(gè)“彈跳器”。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)火衛(wèi)一的軌道觀測(cè)成功了，Phobos-2拍攝了37張火衛(wèi)一的照片，覆蓋了其80%的表面積；攜帶的紅外光譜儀沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水的痕跡。然而就在即將釋放觀測(cè)站和彈跳器時(shí)，1989年3月27日，Phobos-2失去了信號(hào)。科學(xué)家推測(cè)應(yīng)當(dāng)是其機(jī)載的三臺(tái)計(jì)算機(jī)中的最后一臺(tái)能正常工作的，出現(xiàn)了嚴(yán)重故障。

Phobos-2號(hào)的藝術(shù)概念圖（上），和其“VSK”相機(jī)拍攝的火衛(wèi)一。

美國(guó)則憑借著多次成功的經(jīng)驗(yàn)，開始細(xì)化對(duì)火星的勘測(cè)。1996年11月7日，美國(guó)發(fā)射火星全球勘探者號(hào)（Mars Global Surveyer，MGS），在火星軌道上工作了7年，對(duì)火星整體進(jìn)行了測(cè)繪，包括地表、大氣層和電離層等。

MGS的藝術(shù)效果圖

1996年12月4日，美國(guó)發(fā)射了火星探路者號(hào)著陸器（Mars Pathfinder），攜帶了旅居者號(hào)火星車（Sojourner）。這次任務(wù)主要是為了試水通過(guò)氣囊的方法進(jìn)行軟著陸，為將來(lái)的任務(wù)鋪平道路，是名副其實(shí)的“探路者”。旅居者號(hào)成為了人類第一輛在另一顆行星上行駛的無(wú)人巡視車。

上：火星探路者拍攝的火星地表全景；下左：火星探路者和旅居者號(hào)正在裝配；下右：旅居者號(hào)在火星上度過(guò)第22個(gè)火星日。

2001年，美國(guó)NASA發(fā)射了火星奧德賽號(hào)（Mars Odyssey）探測(cè)器，主要任務(wù)是尋找火星的水。不負(fù)眾望，它對(duì)火星淺表底層含水量進(jìn)行了普查，發(fā)現(xiàn)了大量水的蹤跡。此外，它在火星赤道地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了淺表的水層——很有可能這些水能夠適時(shí)融化為液態(tài)，供微生物生存。

火星奧德賽號(hào)

2003年，火星大沖，這是近百年來(lái)最適合發(fā)射火星探測(cè)器的窗口。歐空局ESA發(fā)射了“火星快車（Mars Express）”軌道器，美國(guó)NASA發(fā)射了“勇氣號(hào)（Spirit）”和“機(jī)遇號(hào)（Opportunity）”火星車。他們幾乎全都聚焦于“找水”?；鹦强燔囋跇O地冰蓋中發(fā)現(xiàn)了水冰，還在大氣中發(fā)現(xiàn)了甲烷的跡象和痕量的氨——這暗示可能曾有生命存在于火星上，或至少有演化生命的條件。勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)分別發(fā)現(xiàn)了一些地表上流水侵蝕風(fēng)化的線索，并進(jìn)行了火星上的天文觀測(cè)。

從火星看地球。由勇氣號(hào)拍攝。

2005年，美國(guó)NASA發(fā)射了火星軌道勘測(cè)飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO），它主要針對(duì)火星的地理環(huán)境和氣象環(huán)境進(jìn)行研究。在火星軌道上，它發(fā)現(xiàn)了火星表面藏在各種地方的冰，以及各類水成的礦物。此外，根據(jù)其數(shù)據(jù)，科學(xué)家推測(cè)，火星表面廣泛分布著氯化物，這應(yīng)該是由含水的礦物蒸發(fā)形成的——換言之，火星表面曾經(jīng)廣泛分布有水。2011年8月4日，NASA宣布MRO偵察到在火星的溫暖的月份里，其表面似乎存在流動(dòng)的液態(tài)水。

MRO觀測(cè)到的4次火星表面的雪崩現(xiàn)象

2007年，NASA發(fā)射了鳳凰號(hào)（Phoenix）火星著陸器，2008年5月25日著陸在了火星的極地地區(qū)。鳳凰號(hào)證明了火星極地地區(qū)淺地表下水的存在。

鳳凰號(hào)拍攝的淺地表冰的融化和蒸發(fā)。左側(cè)為第20太陽(yáng)日剛剛挖開的淺地表，右側(cè)為4個(gè)太陽(yáng)日后的同一位置。明顯可見(jiàn)白色減少了，融化了。

2011年，NASA發(fā)射了好奇號(hào)（Curiosity）火星車。這是一臺(tái)功能強(qiáng)大的地面綜合科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，可以完成全套的采樣分析工作。目前，它正在一邊走，一邊做實(shí)驗(yàn)，尋找各種關(guān)于水和生命的跡象，拍各種高清晰度的照片。截止2020年12月9日，好奇號(hào)距離著陸點(diǎn)已經(jīng)有23.32千米。

好奇號(hào)拍攝的“尖山”。攝影技術(shù)確實(shí)過(guò)硬。

2013年，NASA發(fā)射了“火星大氣層和揮發(fā)分演化任務(wù)（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission，MAVEN）”探測(cè)器。這個(gè)探測(cè)器試圖解答：火星是如何失去它表面豐富的水資源和濃密的大氣層，變成現(xiàn)在這樣荒涼的樣子的？2015年的數(shù)據(jù)證明，隨著其內(nèi)部核心的冷卻，火星不再能產(chǎn)生類似地球的內(nèi)稟磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致太陽(yáng)風(fēng)長(zhǎng)驅(qū)直入，剝離了火星大氣。水分中的氫離子大量逃逸，從而變得干旱。

在MAVEN的紫外成像下，火星氣體成分的揮發(fā)。左：原子碳，中：原子氧，右：原子氫

Part 04

新鮮血液

科學(xué)家越是學(xué)習(xí)和探索這個(gè)世界，就越感到自己的無(wú)知。越是探索火星，我們就發(fā)現(xiàn)還有越多的疑點(diǎn)等待我們?nèi)ソ獯?。目前?018年著陸火星的洞察號(hào)（InSight）、2018年進(jìn)入火星軌道的火星微量氣體任務(wù)衛(wèi)星（ExoMars Trace Gas Orbiter）才剛剛開始收集數(shù)據(jù)，解釋數(shù)據(jù)；2021年的三個(gè)新鮮血液：中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)、美國(guó)的毅力號(hào)（Perseverance）火星車、阿聯(lián)酋的HOPE號(hào)軌道器才剛剛進(jìn)入工作崗位，沒(méi)來(lái)得及開展科研工作。

上左：ExoMars的模型；上右：HOPE任務(wù)的Logo；中左：InSight探測(cè)器的藝術(shù)效果圖；中右：毅力號(hào)火星車降落瞬間的照片；下：我國(guó)的天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器自拍。

我們?nèi)祟惲私獾厍?，花了至少上萬(wàn)年的時(shí)間，才勉強(qiáng)理解了其表面的一點(diǎn)點(diǎn)。雖然技術(shù)在飛速進(jìn)步，火星似乎也比地球更加“單純”，60多年的時(shí)間顯然也不足以讓人類摸透火星的前世今生與未來(lái)。我們的火星探索之旅才剛剛開始。

美編：朱文瀟

校對(duì)：覃華清

來(lái)源：中科院地質(zhì)地球所