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火星并不“荒凉”,面对复杂的火星环境,未来开拓者应该怎么做

关键词:???发布时间:2019-10-08 08:40:01
火星并不“荒凉”,面对复杂的火星环境,未来开拓者应该怎么做

对大多数科学家来说,火星比太阳系其他行星都有趣,因为它的环境和除地球之外的星球相比来说更宜人。其实在地球,天文学家也可以通过天文台看到火星的表面特征,并跟踪其极地盖的季节变化。尽管现在的火星表面干燥而寒冷,但探测器收集到的数据表明,火星曾经有过蓝天,丰厚的大气和液态水湖泊。而在未来,我们也可以想象到未来宇航员访问甚至在火星建造永久殖民地,将火星改造的和以前一样。

航天器火星探测史

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这张图片哈勃太空望远镜拍摄的火星:这是我们星球上远观拍摄的最好的火星照片之一,拍摄于2001年6月,当时火星距离地球只有6800万公里,分辨率约为20公里。

人类已经向火星发射了50多艘宇宙飞船或者探测器,但只有一半任务是完全成功的。第一个是美国的水手4号,它在1965年飞越火星,向地球传送了火星的22张照片。这些照片为我们展示了一个荒凉的星球,有大量的撞击坑。一些比较浪漫的科学家还是希望看到运河或类似的东西,所以……

1971年,美国宇航局的水手9号成为第一艘环绕另一颗行星运行的航天器,它以大约1公里的分辨率绘制了火星的表面地图,并发现了各种各样的地质特征,包括火山、巨大的峡谷、极地冰盖上复杂的地质情况,以及似乎被流水切断的河道等等。在地质学上,火星看上去并没有那么死气沉沉,但是从生物学上,火星确实是死气沉沉的。

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1970年代的Viking宇宙飞船是所有行星飞行探测任务中最成功的一个。飞行器不仅调查了火星,还在火星着陆了,Viking 1号着陆器于1976年7月20日降落在了帕里蒂亚(黄金平原)表面,这一事件正好发生在尼尔·阿姆斯特朗踏上月球这一历史时刻7年时间之后。两个月后,Viking 2号也同样成功地降落在另一个较北的平原,它叫做乌托邦平原。这些着陆器以高分辨率拍摄了火星表面,并进行了复杂的实验,寻找生命的证据,而轨道飞行器则为火星地质提供了一个全球视角。

在Viking之后的20年里,火星一直无人问津。美国宇航局和俄罗斯宇航局又向火星发射了两艘宇宙飞船,但在到达火星之前都失败了。无人问津的情况在上世纪90年代发生了变化,当时美国宇航局开始了一项新的探索计划,使用了一种比维京号更小、造价更便宜的航天器。

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火星探路者拍摄到的火星表面视图:从探路者着陆器的场景中可以看到一个被严重风化的平原,探路者着陆器平顶装有太阳能电池,为车辆的运行提供电力。你可以从着陆器图像中看到火星斜坡。

一颗叫做火星全球测量MGS的探测器在几个月后到达火星,并开始对整个火星表面进行高分辨率摄影和拍照。这艘至今仍在运行的火星探测器最引人注目的发现,是我稍微要为大家说明的火星存在河流遗迹的证据。火星奥德赛轨道探测器和欧空局火星快车探测器,都带着高分辨率相机。奥德赛上的伽马射线光谱仪还发现了大量的次表层氢(可能以冷冻水的形式存在)。其中一些轨道飞行探测器还配备了与火星表面上的着陆器和漫游者进行通信的设备,并充当地球的数据中继。

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2003年,精神和机遇号火星探测器远远超过了他们的计划寿命。刚开始火星车的设计目标是600米的行程,事实上,他们已经旅行了50多公里。在着陆点四处观察了一下之后,机遇沿着陡峭的岩壁进入一个名为“维多利亚”的撞击坑,后来又成功地走回去,恢复了原始路线。覆盖着火星探测器太阳能电池的粉尘造成了功率下降,但当一场季节性的沙尘暴吹走了尘埃后,火星探测器又恢复了运转。为了在冬季生存下去,火星探测器有时会去斜坡上,这样可以最大限度地利用太阳能。2006年,精神号火星探测器的一个轮子失去了动力,被困在沙子里,在之后精神号探测器以一个固定的地面站运行。

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2011年,NASA发射了自Viking以来最大(也是最昂贵)的火星探测器。1吨多重的好奇号火星探测器有着小型汽车一般的大小,有钚动力发电机,所以它不依赖阳光而作为动力。好奇号在盖尔陨石坑的地面上进行了一次精确的着陆,选中这里是因为这里拥有极其复杂的地质情况,而且盖尔陨石坑过去也曾被水淹没过。在此之前,火星着陆器都是被送到平坦的地形上,几乎没有什么危险,因为它们的目标定位精度较低,所以说这次着陆点选址比之前的难。

火星陨石——百万年的火星来客

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这张图片是火星陨石,这部分玄武岩在形成火山口的撞击中喷出,最终到达地球表面。我们对月球的许多了解,包括月球起源的情况,都来自月球样本的研究,但对于火星,我们的探测器还没有将火星样本送回地球进行实验室性质的分析。

那么这些火星岩石是怎么从火星上飞过来的?曾经有许多撞击都发生在这颗红色行星上,有很多非常巨大的陨石坑遗迹。大陨石撞击产生的碎片可以从火星上逃逸出来,火星的表面引力只有地球的38%。所以在很久以后(通常是几百万年),这些碎片中有一小部分会与地球相撞,并通过大气层落下来,就像其他陨石一样。顺便说一句,来自月球的岩石也可以以陨石的形式到达了我们的星球,不过我们只能通过阿波罗任务返回的样品来研究月球地质和月球起源问题。

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大多数火星陨石是火山玄武岩,其中大多数陨石也相对年轻,年龄大约是13亿年前。科学家从它们组成的细节中得知,它们不是来自地球或月球。此外,月球上也没有火山活动来形成这类岩石。13亿年前,陨石对金星的撞击中喷出的物质也很难从其厚厚的大气层中逃脱出来。所以最终的结论唯一合理的来源就是火星,另外,当时火星的Tharsis区域的火山是比较活跃的。

火星样品分析中最令人兴奋的结果之一是发现了其中的水和有机(碳基)化合物,这表明火星可能曾经有过海洋,甚至是表面上曾经存在过生命。正如我说过好几次的,在遥远的过去,甚至直到现在,还有其他证据表明火星上存在着流动的水。

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火星的直径为6794千米,总密度为3.9g/cm。这颗行星没有全球磁场,不过现在有些区域的表面磁化强度依然很强,表明数十亿年前曾有过一个全球磁场。显然,这颗红色星球的核心现在没有液体物质可以导电。

轨道探测器的激光高度计对地面地形进行了数以百万次的精确测量,测量精度可以达到几米,足以显示极地盖的年沉积和蒸发数量。与地球、月球和金星一样,火星表面有大陆或高原地区,也有广泛的火山平原。从最高峰(奥林帕斯山)的山顶到最深的盆地(Hellas),我们都可以看到。

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这张图片为大家展示的是来自激光测距的火星地图,由火星轨道探测器数百万次高程测量精确对比重建而成。颜色用于表示高度。左边的半球包括奥林帕斯山,那是火星上最高的山峰;右边的图片包括火星上海拔最低的Hellas盆地。

火星表面火山情况

火星表面大约有一半陨石坑组成,主要分布在南半球。在北半球区域也有很多较年轻的、较小的火山口平原,其平均海拔比高地低约5公里。这里有个重点需要圈起来说明一下,我们在地球、月球和金星上看到了类似的地质情况。地质划分可以划分为较古老的高地和较年轻的低地平原,这似乎是除水星以外的所有类地行星的特征。

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从轨道上拍摄的图像使科学家能够在这些火山的斜坡上寻找撞击坑,以估计它们的年龄。许多火山显示出相当数量的撞击坑,表明火星上的火山大多数在10亿多年前就停止了活动。然而,奥林帕斯山撞击坑很少,奥林帕斯山相较于其他火山要年轻得多。一些看起来比较新的熔岩流可能是在一百万年前形成的。从地质学上讲,它们还很年轻。这使得地质学家得出结论,奥林帕斯火山可能在今天仍然会断断续续的喷发,这是未来火星殖民者需要记住的事情。

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除了巨大的火山外,Tharsis(奥林帕斯山发现的地方)隆起还有许多有趣的地质特征。在火星,表面已经膨胀起来,在来自下方的强大膨胀力度下,导致地壳构造裂开。火星上最壮观的构造特征之一称为水手峡谷,以水手9号命名,可以说看到火星的朋友们都会注意到这一深谷,它们沿着Tharsis凸起的斜坡延伸约5000公里。如果它在地球上,这个峡谷系统将从洛杉矶一直延伸到华盛顿特区。主峡谷区域大约有7公里深,宽达100公里,大到足以容纳科罗拉多大峡谷。

火星表面情况

第一个成功降落在火星上的航天器是Viking 1号和2号以及火星探路者。他们都发回了照片,这些照片显示了一片荒凉而又奇异的美丽的景观,包括无数的角质岩石,散布着细密的红色土壤的沙丘状沉积物。

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图片为大家展示的是火星着陆点,从这三张照片的相似之处可以看出,每艘火星探测器都降落在一个平坦的、被风化过的平原上,到处都是岩石,从小鹅卵石到几米几十米大小的巨石,很可能大部分火星表面看起来都是这样。

着陆器上的仪器发现,火星岩石大多由粘土和氧化铁组成,这是科学家所预料到的,因为其实在此期间科学家们也在研究火星来的陨石。所有观测研究的岩石似乎都是因为火山而成,成分也都大致相同。后来,登陆探测器的目标就成为了降落在过去某个时候明显被洪水淹没的地区,在那里,会有因为水而形成的沉积岩层。

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Viking探测器为早期火星天气提供了一个研究视角。由于没有海洋和云层,测量的温度随季节变化很大。一般情况下,Viking 1号的夏季最高温是-33°C,如果在冬天的话,同一地点温度会下降到-93°C。

在火星上测量到的大部分风仅为每小时几公里。然而火星能够产生巨大的风暴,将整个星球笼罩在尘埃中,如果你站在火星表面,你就会看到周边都是红色的。这样的强风可以剥去一些松散的、细腻的尘埃使岩石暴露。后来的探测器发现,每一个晴朗的下午,大气都会变得动荡,因为热量上升到了表面。这种湍流产生了尘埃,它们在将细尘提升到大气中起着重要的作用,这同时也是火星尘埃产生的原因。

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