無(wú)數(shù)次的深情凝視，只為心無(wú)旁騖地投向你的懷抱。

5月15日，在環(huán)繞火星飛行探測(cè)了3個(gè)多月后，天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器終于穩(wěn)穩(wěn)地落在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)。這個(gè)名字源于屈原《天問(wèn)》的著陸巡視器，滿(mǎn)載著中國(guó)人“九天之際，安放安屬?隅隈多有，誰(shuí)知其數(shù)……”的疑問(wèn)，探尋這顆紅色星球的前世今生。

千萬(wàn)里的跋涉，只為你而來(lái)。中國(guó)火星探測(cè)的首選地為何花落烏托邦平原?火星上的高地、山脈、峽谷又是如何形成的?載人探火的選址會(huì)有所不同嗎?隨著火星探測(cè)事業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于火星的種種疑問(wèn)，也將被一一解開(kāi)。

是否“曾經(jīng)滄海” 去烏托邦平原看了才知道

從20世紀(jì)60年代至今，火星的天幕上，便屢見(jiàn)天外來(lái)客。1960年至2019年，國(guó)際上的火星探測(cè)任務(wù)共有44次，但其中成功和部分成功的只有22次，是風(fēng)險(xiǎn)最高的航天任務(wù)之一。

1997年，“旅居者”號(hào)火星車(chē)在火星的克里斯平原阿瑞斯谷著陸，這是人類(lèi)送上火星的第一臺(tái)火星車(chē)。2004年，美國(guó)“勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)這對(duì)雙胞胎火星車(chē)先后登陸子午線高原和古謝夫撞擊坑。更大、更重、功能更強(qiáng)的“好奇”號(hào)火星車(chē)則于2012年8月在蓋爾撞擊坑登陸。今年2月，美國(guó)“毅力”號(hào)火星探測(cè)器降落在火星北半球伊西迪斯平原西側(cè)的杰澤羅撞擊坑。

“陌生星球的著陸點(diǎn)選擇，要受工程約束和科學(xué)目標(biāo)的雙重限制，既要有科學(xué)意義，也要易于工程實(shí)現(xiàn)。”中國(guó)航天科工二院研究員、國(guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)副主席楊宇光道出了選擇火星著陸點(diǎn)的玄機(jī)。

“出于工程安全的需要，著陸區(qū)一般選擇在赤道附近的低緯度區(qū)域，以保證火星車(chē)的太陽(yáng)能電池板能獲得足夠的太陽(yáng)光照，而且那里夏季白天溫度為20多攝氏度，利于設(shè)備正常工作;第二是著陸點(diǎn)附近區(qū)域要平坦，盡量避免存在大塊巖石，確保探測(cè)器著陸時(shí)不會(huì)傾覆;第三是著陸點(diǎn)海拔要低，探測(cè)器著陸的過(guò)程十分兇險(xiǎn)，地勢(shì)越低，越能為探測(cè)器著陸爭(zhēng)取緩沖時(shí)間。”楊宇光說(shuō)。

工程安全讓科學(xué)探測(cè)如虎添翼。“得知成功的那一刻太激動(dòng)了，要感謝這些航天工程專(zhuān)家，如果沒(méi)有他們，我們的科學(xué)目標(biāo)就沒(méi)法實(shí)現(xiàn)。”5月15日凌晨，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)預(yù)先科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成員，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員趙宇鴳便不斷刷新著各種網(wǎng)頁(yè)，捕捉天問(wèn)一號(hào)的最新動(dòng)態(tài)。

趙宇鴳和她的合作者們?cè)鴩@天問(wèn)一號(hào)備選著陸區(qū)開(kāi)展過(guò)地質(zhì)環(huán)境的背景調(diào)查，“烏托邦平原是國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)于1973年命名的，它是太陽(yáng)系中最大的撞擊盆地，直徑約3300千米。它地處的火星北半球，在距今約40億年前就形成了。有一些科學(xué)假說(shuō)認(rèn)為，烏托邦平原曾經(jīng)有海洋，并存在著與水有關(guān)的地貌特征，如嚴(yán)重退化或掩埋的撞擊坑，這可能是由于沉積物被壓實(shí)導(dǎo)致;分布于中緯度地區(qū)的指紋地貌，可能是冰川或火山作用形成;巨型多邊形地貌，可能是由熱收縮作用導(dǎo)致永久凍土開(kāi)裂形成。但烏托邦平原的古海洋還有待進(jìn)一步探測(cè)，畢竟現(xiàn)在人類(lèi)對(duì)火星北半球的研究程度還很低”。

特殊地理、氣候環(huán)境 讓火星北極地質(zhì)具有獨(dú)特性

從太空俯視火星，這顆紅色星球云集眾多地質(zhì)奇觀?；鹦巧系膴W林帕斯山是太陽(yáng)系中已知最高的火山，高約2.6萬(wàn)米，約為珠穆朗瑪峰的3倍。

據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)分析，這極有可能是因?yàn)榛鹦侵亓π?，火山爆發(fā)率高，因此火星上的造山熔巖流動(dòng)持續(xù)時(shí)間比在地球上長(zhǎng)得多。

在趙宇鴳看來(lái)，“火星殼至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)板塊運(yùn)動(dòng)的痕跡，這使得上涌的巖漿會(huì)在一個(gè)區(qū)域上不斷堆積，逐漸形成單一巨大的火山”。

火星的另一項(xiàng)地質(zhì)紀(jì)錄是擁有太陽(yáng)系中最深的峽谷，即靠近其赤道的水手峽谷，它長(zhǎng)約4000千米，最深的地方為7千米，可媲美地球的東非大裂谷。“由于奧林帕斯山所在的薩希思火山省不斷隆升，造成鄰近區(qū)域火星殼的拉張陷落，水手大峽谷由此形成。有科學(xué)家對(duì)比了水手大峽谷兩岸的巖層，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。但有關(guān)火星北部平原的形成，科學(xué)界還一直沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。”趙宇鴳說(shuō)。

趙宇鴳曾參與“機(jī)遇”號(hào)、“鳳凰”號(hào)和“好奇”號(hào)的數(shù)據(jù)分析。她介紹，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在不同的著陸點(diǎn)，火星車(chē)觀測(cè)到不同的局部環(huán)境，指示火星表面的地質(zhì)多樣性。例如，“機(jī)遇”號(hào)火星車(chē)在火星子午線高原的沉積記錄中發(fā)現(xiàn)赤鐵礦小球，科學(xué)家推測(cè)這可能是由硫酸鐵氧化轉(zhuǎn)變而成;“勇氣”號(hào)火星車(chē)在古謝夫撞擊坑發(fā)現(xiàn)了熱泉環(huán)境;“鳳凰”號(hào)在火星北極著陸點(diǎn)的土壤中發(fā)現(xiàn)了水冰、碳酸鹽、高氯酸鹽等;“好奇”號(hào)在蓋爾撞擊坑發(fā)現(xiàn)了流水活動(dòng)的證據(jù)以及湖相沉積物。同時(shí)，受區(qū)域或全球性塵暴的影響，火星表面還廣泛存在著一層成分較為均一的、富含硫和氯的火星塵埃，火星土壤的細(xì)粒組分較粗粒組分更為均一。

火星的“容顏”逐漸被人類(lèi)揭開(kāi)，其中，火星南北極最令趙宇鴳神往。“極地的探測(cè)很難，那里日照短、寒冷，但地貌豐富，人類(lèi)可以通過(guò)冰蓋的活動(dòng)，判斷火星氣候變化，分析演化歷史。”她解釋道，火星北極的冰蓋，下面是水冰，上面是干冰，冬季極區(qū)有時(shí)會(huì)擴(kuò)張到北緯55度，天暖時(shí)又回縮，這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致大氣氣壓的變化，形成很大的風(fēng)，所以極區(qū)的邊緣容易出現(xiàn)塵暴。

“火星北極特殊的地理、氣候環(huán)境，也讓那里的地質(zhì)具有獨(dú)特性。例如高氯酸鹽鮮見(jiàn)于地球自然界，它往往被人工合成用于火箭燃料等，但它卻被發(fā)現(xiàn)于火星北極土壤里，而且是該區(qū)域氯元素的主要存在形式，在火星其他著陸點(diǎn)和火星隕石中，氯的存在形式主要類(lèi)似地球的石鹽。我們的研究認(rèn)為，在極低溫度和干燥環(huán)境下，凍融過(guò)程會(huì)使表土不斷富集高氯酸鹽而不是石鹽，這個(gè)現(xiàn)象即使在地球極地也是沒(méi)有的。”趙宇鴳表示。

趙宇鴳分享，今年“毅力”號(hào)火星車(chē)登陸的杰澤羅撞擊坑，在“當(dāng)選”著陸點(diǎn)前，有一位強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——古謝夫撞擊坑。“‘勇氣’號(hào)曾去過(guò)那里，其著陸之前，科學(xué)家認(rèn)為那里以前是湖，因?yàn)樽矒艨油庥泻拥懒飨?，結(jié)果著陸后探測(cè)發(fā)現(xiàn)地表物質(zhì)以玄武巖為主，完全是火山環(huán)境。”她說(shuō)。

她介紹：“‘勇氣’號(hào)任務(wù)后期又發(fā)現(xiàn)了富硅的沉積物和硅華，在顯微鏡下看，硅華呈指凸?fàn)睿瑥耐庑慰?，這與南美洲阿塔卡馬沙漠中熱泉中的硅華相似。而熱泉可以為生命提供能源、水以及組成生命必需的物質(zhì)，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在切開(kāi)阿塔卡馬沙漠熱泉的硅華后，發(fā)現(xiàn)其中有生命的痕跡。”

未來(lái)載人登陸火星 赤道附近低平、有水區(qū)域或是首選

人類(lèi)邁向深空探索的腳步從未停歇。“載人探火一直是國(guó)際太空計(jì)劃的目標(biāo)。”趙宇鴳介紹，自1950年以來(lái)，涉及載人探火任務(wù)的概念性工作一直在進(jìn)行。歐洲航天局制訂的“曙光計(jì)劃”中就有一項(xiàng)在2033年載人探火的旗艦任務(wù)。

如果有一天人類(lèi)踏上火星，又該選擇什么樣的落腳點(diǎn)?“相較于火星車(chē)著陸，載人探火要解決人的生存問(wèn)題。”趙宇鴳說(shuō)，熱源、水、氧氣以及返回地球的燃料，都將決定人類(lèi)能否駐足火星。

“火星很冷，要尋找足夠的熱源，所以未來(lái)載人探火的選址，地勢(shì)要低平，最好處于赤道附近，便于吸收熱量。后期航天員返航時(shí)發(fā)射火箭，在赤道附近也會(huì)相對(duì)節(jié)省燃料。就水而言，目前沒(méi)有探測(cè)到火星有流動(dòng)的水系，有一些遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)火星山脈暴露的斷層里夾雜冰層，但這些地區(qū)溫度很低，冰被凍了很久，很堅(jiān)硬，很難開(kāi)采。如果能提取出近地表的蒸發(fā)鹽中保存的水，或許也可以選擇富集這些鹽類(lèi)的區(qū)域著陸，以便提供補(bǔ)給，同時(shí)水也可以用于制氧。”趙宇鴳說(shuō)。

氧氣是生命的重要支撐，目前在火星上也有了部分來(lái)源。趙宇鴳介紹，“毅力”號(hào)著陸火星杰澤羅隕石坑后，首次成功制氧，“火星車(chē)從火星大氣的二氧化碳中提取氧氣，1小時(shí)制取的氧氣可以供航天員呼吸約10分鐘，這是很大的突破，目前我國(guó)也有科學(xué)家在做相關(guān)的技術(shù)研究”。

“從技術(shù)層面說(shuō)，眼下，載人探火需要解決防輻射、巨型探測(cè)器著陸、降低成本等難題。”楊宇光說(shuō)，人類(lèi)往返火星的防輻射能力首當(dāng)其沖，但載人探火沒(méi)有繞不過(guò)去的坎。

“歐洲曾經(jīng)做過(guò)研究，一個(gè)航天員職業(yè)生涯接受輻射的劑量不能超過(guò)1西弗。但受發(fā)射窗口約束和變軌能力限制，人類(lèi)僅往返火星和地球間就需要一年半以上的時(shí)間，如果中途再遇到太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)，銀河宇宙線加持，就會(huì)影響航天員的生命安全。”楊宇光說(shuō)。

趙宇鴳表示，“好奇”號(hào)的火星輻射環(huán)境實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，火星表面的輻射暴露量約為國(guó)際空間站的2.5倍，而地火間往返旅行將受到的輻射為0.66±0.12西弗。

“但這并非沒(méi)有辦法解決，可以加厚航天員居住艙的金屬屏蔽層來(lái)防輻射，居住艙最好能重復(fù)使用，否則成本太高。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題如何解決，現(xiàn)在沒(méi)有定論。”楊宇光推測(cè)，載人往返火星路程遙遠(yuǎn)、載荷龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，飛船可能重達(dá)數(shù)百?lài)嵰陨希@意味著單次載人往返火星的成本預(yù)計(jì)要在千億美元量級(jí)。

“如果要考慮在火星表面建立科考站，還要考慮人員定期往返和樣本往返的問(wèn)題?；诤朔磻?yīng)堆的電推進(jìn)技術(shù)，可能是一種途徑。”楊宇光說(shuō)，相較于地球，火星接收的太陽(yáng)能少很多，所以火星科考站的建立需要很高的儲(chǔ)能實(shí)力以抵御風(fēng)暴天和極夜。而兆瓦級(jí)以上的基于核反應(yīng)堆的電推進(jìn)技術(shù)，可以提供更多動(dòng)力來(lái)源，會(huì)使整個(gè)任務(wù)規(guī)模比太陽(yáng)能電推或化學(xué)推進(jìn)小很多，但人類(lèi)目前的火箭發(fā)射技術(shù)難以保證每一次發(fā)射都成功，如果發(fā)射時(shí)爆炸，核污染是難以想象的。而建立核反應(yīng)堆，冷卻也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

火星旅游必打卡景點(diǎn)指南

景點(diǎn)一：奧林帕斯山

它高約2.6萬(wàn)米，大致相當(dāng)于珠穆朗瑪峰高度的3倍，是太陽(yáng)系中已知最高的火山。

它的形成極有可能是因?yàn)榛鹦侵亓π?，火山爆發(fā)率高，因此火星上的造山熔巖流動(dòng)持續(xù)時(shí)間比在地球上長(zhǎng)得多。此外，火星殼至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)板塊運(yùn)動(dòng)痕跡，這使得上涌的巖漿會(huì)在一個(gè)區(qū)域上不斷堆積，逐漸行成單一巨大的火山。

景點(diǎn)二：水手峽谷

它靠近火星赤道，長(zhǎng)約4000千米，最深處7千米，是太陽(yáng)系中最深的峽谷。

由于奧林帕斯山所在的薩希思火山省不斷隆升，造成鄰近區(qū)域火星殼的拉張陷落，水手峽谷由此形成。

景點(diǎn)三：北極

這里雖然日照短、寒冷，但地貌豐富，人類(lèi)可以通過(guò)冰蓋的活動(dòng)，判斷火星氣候變化，分析其演化歷史。

此外，這里還有地球自然界鮮見(jiàn)的高氯酸鹽，它在地球上往往被人工合成用于火箭燃料等。

關(guān)鍵詞： 火星 天問(wèn) 科學(xué) 困難癥