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2019-11-05 03:57栏目:数理科学
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在太阳系的八大行星中,火星和地球在许多地方十分相似:火星自转一周是24.66小时,昼夜只比地球上的一天多40分钟;火星自转倾斜角也和地球相近,所以火星上也有春夏秋冬四季的气候变化;火星上还有大气层。 1877年,意大利天文学家斯基帕雷用望远镜发现火星上有许多细长的暗线和暗区,他把暗线称为“水道”。有人干脆把“水道”翻译成英语的“运河”,暗区就成了“湖泊”。有运河就有智慧生命的大规模活动。于是,一个世纪以来,有关这颗红色星球上的火星人和火星生命的传说、猜测和探测不断出现。眼见为实,只有对火星进行逼近观测,才能彻底解开这些谜。20世纪50年代后,人类就开始了利用航天技术探测火星的努力。 早在1962年11月1日,苏联发射了“火星1号”探测器,开始了人类对火星的逼近探测。 1965年,美国发射的“水手4号”探测器,在距离火星9280千米的高处,首次拍摄了22张火星照片。 1969年,“水手6号”和“水手7号”探测器观测了火星南极,并且发现火星大气中的二氧化氮含量高达95%。 1972年,“水手9号”探测器拍摄了7000多张火星照片,这些照片显示了火星表面70%区域中的峡谷、火山和干涸的河床。 1974年,苏联发射的“火星5号”首次拍摄了火星的彩色照片。 为什么人类要探测火星?正规棋牌游戏平台 1软着陆。它们测量了火星上的温度、风速、大气压,分析了火星大气和土壤的成分。“海盗号”还在空中拍得4500多张火星照片。令人失望的是,土壤分析结果没有发现生命物质,甚至没有找到有机化合物。但是,这两个着陆器只是随机降落在火星表面的两个点,能不能让探测器在火星上行走,去“寻找”人类感兴趣的目标呢?21年后,这个愿望实现了。 1996年12月,美国发射“火星探路者”探测器。1997年7月4日,“火星探路者”经过7个月的旅行,行程4.94亿千米,终于来到火星,并成功地在火星上的阿瑞斯平原着陆。这是自“海盗号”以后,人类再次把航天器送入火星表面,也是美国国家航空航天局跨世纪的一连串火星轨道和着陆探测计划的开始。 “火星探路者”携带了一辆六轮小跑车,称为“漫游者”。“漫游者”在着陆器着陆后的第二天走下着陆器,开始对选定的目标进行研究。在以后的90天里,“火星探路者”共向人类发回了1.6万张照片。 1996年11月,美国发射“火星全球勘探者”飞船。“火星全球勘探者”在1997年9月进入火星轨道,这是人类成功地送人火星的第一个轨道器。 “火星探路者”终于找到了一些支持“火星生命说”的证据,从它发回的1.6万张照片中科学家发现,几十亿年前,火星的阿瑞斯平原曾发生过大洪水,而现在的火星可能与地球一样有晨雾,说明火星上有水,有水就可能有生命。而“漫游者”的研究结果,证实地球上的一块编号为“ALH84001”的陨星,可能来自火星,而美国国家航空航天局的科学家宣布,他们在这块陨星中发现了可能存在原始生命的证据。

不论是机遇号还是好奇号,甚至是之前美国发射的轨道器和着陆器,“它们每个上天都是有目的的。”焦维新表示,“比如,为了探究火星气体稀薄的原因,美国就发射了一个轨道器,专门探测太阳风的电离作用。而且预计到2020年,美国还将发射一个比好奇号更大的探测器,可以钻入火星内部探测。”

至于取样返回,焦维新也表示难度颇大。首先,探测器要先从火星表面起飞,然后与环绕在火星轨道上的母船交会对接。“尽管火星的引力场是地球的37%,但是依然需要很大的推力才能脱离。”焦维新说。另外,就是对接时如何精确控制。要知道,当时中国神州八号完成与空间站的对接是在距离地球350公里处,而对于距离相差几倍远的火星,控制更难。更令人头疼的是,口令的延时,这恐怕让对接过程只能依靠自动设备完成。

海盗1号的轨道器在轨道上一直工作了5年,而着陆器使用核能作为电力来源,在火星表面正常工作超过6年,直到1982年11月13日错误指令导致失去通信联系为止。在很长一段时间内,海盗1号都是在火星表面存活时间最长的纪录保持者,直到2010年5月19日才由机遇号以2246个任务日的运转打破了海盗1号2245个任务日的纪录。海盗2号的轨道器在轨道上一直工作到1978年,而着陆器在火星表面正常工作了三年多的时间,直到1980年4月11日电池故障导致通讯联系中断。海盗号火星探测计划总共向地球发回了数万张高清晰照片。

尽管发射上去的探测器无法取样,但是人类依旧得到了不少有用的信息,比如是否存在生命,是否有生命曾经存在的痕迹等等。之前,火星快车号在火星大气层内发现甲烷,对于科学家也是极大的鼓舞,因为甲烷可能是生命体释放聚集而成。

人类对火星的渴望并非近几年的事,早在上世纪60年代,美国和前苏联就开始了关于火星的探索。

《中国科学报》 (2014-07-11 第14版 关注)

焦维新曾经在他所著的《探索红色星球》中,提出过一个概念,叫“火星地球化”。但是他表示,如果真要把火星改造成适合人居住的话,年限是800年。“因为,火星没法和地球相比,有些方面可以改造,但是像引力、磁场、辐射等问题,人工没法改造。”焦维新说,“人类进入太空才50多年,难以想象500年后,科技会达到什么程度。但现在谈这些还为时尚早。”

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1971年,美国向火星发射了两枚探测器——水手8号和9号,尝试进入火星轨道,环绕火星飞行,以获取火星的高清晰照片。水手8号火箭“夭折”在大西洋。而水手9号则比它的兄弟们幸运得多,成为有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器,1971年11月14日,水手9号终于到达火星,在火星轨道上工作了将近一年之久,发回了7000余张照片,覆盖了火星表面超过80%的部分,同时还对火星的卫星进行了探测。

2001年,美国发射的“火星奥德赛轨道器”就是成功的范例。它身兼数职,不仅对火星进行普查,同时还是火星的中继卫星。“因为火星着陆器发送的信号弱,指挥员往往会把信号先传导至火星轨道器,再传回地球。”庞之浩说,“而且,美国‘火星勘测轨道器’‘火星奥德赛’提供的照片,为机遇号和好奇号在火星的着陆点提供了依据。”

一颗石头便能激起涟漪,人类对于火星投下“兴趣之石”的时间,几乎与人类刚刚有能力挣脱地球引力飞向太空的时间相同。

现实的火星上环境恶劣,这点从美国探测器发回的照片中一览无余。“到目前为止,没有发现大量的液态水,也没有发现生命的痕迹。而且火星的大气层非常稀薄,有科学家认为是太阳风所致,但是具体是什么原因还需要继续探究。”焦维新说, “火星距离地球的距离最长可达4亿公里,但是最近的时候则不到5600万公里,我们称之为‘大冲’。”王俊杰说。每个大冲一般间隔26个月。由此看来火星恐怕是人类近期“移居”最好的选择。“而且,人类对于火星的研究对于了解地球本身也具有一定意义。”焦维新表示,“特别是对保护我们地球,如何防止地球进一步恶化,都有借鉴意义。”

如果继续深挖火星与地球相似的渊源,恐怕还要从太阳系形成之初说起。国家天文台研究员王俊杰告诉《中国科学报》记者,尽管太阳系的形成过程已经无法看到,但是从其他恒星的形成过程,不难窥探一二。“恒星形成于分子云中。分子云在宇宙中,相当于我们看到的天上的乌云。只不过,分子云中包括分子气体和尘埃等。分子云因引力作用密度逐渐升高而造成塌缩形成原恒星, 原恒星周围形成吸积物质的转动吸积盘。”王俊杰表示,“在吸积盘转动的过程中,又形成若干环,这些环中的物质在万有引力作用下逐渐凝聚成行星。也就是说恒星形成的同时,围绕在其周围的行星也就形成了。”

那么另外一个放鸡蛋的篮子在哪儿?科学家们几乎一致认为,是火星。于是,这颗外表奔放,内心保守的古老星球,得到了来自“邻居”的关注。

两年后,美国“粉墨登场”,先后向火星发射了两枚探测器:水手3号和水手4号。水手3号的探测器偏离轨道,最终导致发射失败。而水手4号于12月28日发射升空,它的任务目标就是执行近距离火星科学观测,并将结果传回地球。1965年7月14日,水手4号回传了一张火星表面的照片,这是第一张从地球以外另外一个行星上拍的照片。这张充满了陨石坑、死寂世界的照片,震惊了科学界。接下来,水手4号又向地球传回了21张照片。它发回的数据表明,火星的大气密度远比此前人们认为的稀薄。然后,它环绕太阳轨道上花费三年时间对太阳风进行探测。

1962年,当火星又一次运行到合适的位置时,前苏联的第三枚火星探测器升空了,然而这次它也是仅仅到达了环绕地球轨道而已。同年11月,前苏联向火星发射了火星1号,这枚探测器成功进入了往火星的轨道,并且计划于1963年6月19日到达火星,然而当1963年3月21日它飞行到距离地球1.06亿千米的距离时,却与地面永远失去了通信联系。三天以后,前苏联的又一枚探测器升空,这枚探测器同样面临着失败的命运,仅仅到达环绕地球轨道,就未能再次成功点火,两个月后堕入地球大气层烧毁。

1988年,前苏联再次推出一个新的火星探测计划,将福波斯1号和福波斯2号探测器送入太空。然而尽管相隔15年之久,这两颗探测器依然没能逃脱失败的命运。

这场失败为人类在上世纪80年代对火星的探测画上了句号。当时间迈入20世纪的最后10年,除了美国和前苏联解体后更名的俄罗斯,日本也加入到火星探测的阵营,于1998年7月3日,发射了希望号。希望号在经历了几次失误后,终于在2003年被放弃。

巡天遥望那颗星 人类探索火星之旅

“人类对火星的探测过程,其实和探测月球一样,都是绕、落、回三步。现在,绕和落的问题已经解决,只有回的问题悬而未决。”《国际太空》杂志执行主编、空间技术专家庞之浩对《中国科学报》记者解释道。目前,人类针对火星的探测包括发射轨道器和着陆器。“上世纪90年代,美国开始实施火星生命计划,将轨道器和着陆器同时发射升空。经历了两次失败后,美国采取了分开发送的方法。”庞之浩说,“也就是在某一个火星大冲时发射轨道器。然后通过轨道器观测着陆器着陆的最佳位置,再在之后的大冲时发射着陆器。”就功能而言,轨道器倾向于普查火星情况,而着陆器则是对局部区域的详查。

2011年11月9日,中国“萤火一号”火星探测器搭载在俄罗斯“福波斯-土壤”探测器内部,由俄罗斯“天顶号”运载火箭在哈萨克斯坦拜科努尔发射场点火发射,尽管这一探测行动最终失败,但是依然是中国向火星探测迈出的重要一步。而在2013年,印度政府也在民众对政府耗费巨资探索遥远的火星表示强烈不满中,将火星探测器曼加里安号发射升空。此时,曾经“试水”多年的美国和俄罗斯,分别宣称将在2020年和2025年把人类送上火星。

未来,人类可以移居至火星,这样的设想真的可以成真吗?2013年,荷兰非营利组织更是推出“移民火星计划”,即在2023年,通过一系列选拔和培训,将最终在申请者中挑选出2男2女共4人送去火星,成为火星首批居民,并且将永远居住在那里,在火星上建立人类的首个永久性定居点。焦维新认为,荷兰的这项计划“有点离奇”。“因为,荷兰本身就没有像样的航天事业,而且它从未向月球、火星发射过任何探测器。没有经过实验检验就直接进入载人阶段有些不太现实。”

与水手9号同一年飞向火星的还有前苏联的三枚探测器。其中,火星1号和2号不是失误就是失联而失败。只有火星3号成功在火星着陆,成为有史以来第一个成功在火星表面着陆的探测器,虽然它仅仅在火星上工作了大约20秒就永远与地球失去了通信联系。

除了返回的过程复杂,取回的火星样品会不会把火星有害的物体带回地球,也是科学家们考虑的另一问题。庞之浩介绍说,当年阿波罗登陆归来后,航天员尚且被隔离查看有无有有害物质被带回。因此,面对火星这样的未知星球就更需要谨慎,“如果带回灾难性的生物就麻烦了”。

太阳系拥有八个行星,按照离太阳的距离从近到远,依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。“八个行星中,包括地球在内有四个类地行星。其中,水星非常热,而金星的大气压是地球的92倍。”北京大学地球与空间科学学院教授焦维新向《中国科学报》记者解释道,“虽然火星的大气压只有地球的0.1,但是火星自转一天的时间与地球接近。其外部同样有大气层环绕。”

1975年,美国国家航空航天局实施了“海盗号探测计划”,被称为“有史以来最为成功的火星探测计划之一”。它们由两部分组成,一个轨道器和一个着陆器。海盗1号于1975年8月20日发射升空,轨道器于次年6月19日进入环绕火星轨道,着陆器则于7月20日在火星表面成功着陆。海盗2号则在1975年9月9日发射升空,轨道器于次年进入环绕火星轨道,之后着陆器在火星表面成功着陆。海盗1号成为第一枚在火星上着陆,并且成功向地球发回照片的探测器。

■本报见习记者 袁一雪

1960年10月10日,前苏联向火星发射了第一枚探测器火星1A号。紧接着就在四天以后,第二枚火星探测器升空。然而这两枚火星探测的先行者却连地球轨道都没能到达。

之后,前苏联和美国的几次尝试纷纷以失败告终。这种状况一直持续到上世纪70年代。

庞之浩也认为,移民火星首先要突破的是“人要到火星上去”。因为就目前的技术而言,从地球到火星一个来回需要520天,这对人的生理、心理的影响都很大,还要解决长期辐射和长期生命保障等一系列复杂问题。如果能够缩短去火星的飞行时间,比如采用核动力飞船,将去火星的行程由10个月缩短至2个月,那么这些问题就简单得多。“但是核动力飞船研发本身也不容易,美国研究后发现核辐射的问题不容易解决,在核动力飞船内,每天的辐射量相当于拍摄8次X光片。不过,美国和俄罗斯都正在继续攻克这一难关。”庞之浩说。

最早期的探测器几乎都失败了,但是这不能打击人类追求未知的决心,火星探测也就是在一次次的失败中不断前进,愈挫愈勇。

2011年,著名物理学家史蒂芬:霍金曾对媒体称地球终将被毁灭,而人类要想继续存活只有一条路:移民外星球。霍金说:“人类已经步入越来越危险的时期,我们已经历了多次事关生死的事件。由于人类基因中携带‘自私、贪婪’的遗传密码,人类对于地球的掠夺日盛,资源正在一点点耗尽,人类不能把所有的鸡蛋都放在一个篮子里,所以,不能将赌注放在一个星球上。”

既然在同一个分子云中形成,就决定了地球与火星的大致成分和比例都相似。王俊杰解释说,从实际观测结果看,科学家们也认为在遥远的过去,火星与地球的物质状态相似,有些历史过程也相似。比如,都拥有或曾经拥有海洋、火山等。只是因为与太阳距离不同,导致环境相差比较多。

浩渺星空,拥有无数反射着太阳光的星体,其中有一颗,人类倾注了巨大的人力物力去研究。它就是离太阳第四近的行星、四颗类地行星之一的火星。

21世纪来临后,世界各国纷纷加入探测火星的行列中。2003年,欧洲航天局的“火星快车”探测器发射升空,并于2004年公布发现火星南极存在冰冻水。后来,“火星快车”还在火星大气层内发现甲烷。

火星,在英语中被称为玛尔斯(Mars,意为战神),古汉语中则因为它荧荧如火,位置、亮度时常变动让人无法捉摸而称之为“荧惑”。火星的火红色,自古就吸引着人们。除了绚丽的外表,火星因其“类地”的内在,更吸引着现代科学家。

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