火星“景點”各有特色 擁有太陽系最高的山和最深的谷

2021年05月18日08:54  來源:科技日報
 
原標題:火星“景點”各有特色 擁有太陽系最高的山和最深的谷

無數次的深情凝視,隻為心無旁騖地投向你的懷抱。

5月15日,在環繞火星飛行探測了3個多月后,天問一號著陸巡視器終於穩穩地落在火星烏托邦平原南部預選著陸區。這個名字源於屈原《天問》的著陸巡視器,滿載著中國人“九天之際,安放安屬?隅隈多有,誰知其數……”的疑問,探尋這顆紅色星球的前世今生。

千萬裡的跋涉,隻為你而來。中國火星探測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?載人探火的選址會有所不同嗎?隨著火星探測事業的發展,人類對於火星的種種疑問,也將被一一解開。

是否“曾經滄海” 去烏托邦平原看了才知道

從20世紀60年代至今,火星的天幕上,便屢見天外來客。1960年至2019年,國際上的火星探測任務共有44次,但其中成功和部分成功的隻有22次,是風險最高的航天任務之一。

1997年,“旅居者”號火星車在火星的克裡斯平原阿瑞斯谷著陸,這是人類送上火星的第一台火星車。2004年,美國“勇氣”號、“機遇”號這對雙胞胎火星車先后登陸子午線高原和古謝夫撞擊坑。更大、更重、功能更強的“好奇”號火星車則於2012年8月在蓋爾撞擊坑登陸。今年2月,美國“毅力”號火星探測器降落在火星北半球伊西迪斯平原西側的杰澤羅撞擊坑。

“陌生星球的著陸點選擇,要受工程約束和科學目標的雙重限制,既要有科學意義,也要易於工程實現。”中國航天科工二院研究員、國際宇航聯空間運輸委員會副主席楊宇光道出了選擇火星著陸點的玄機。

“出於工程安全的需要,著陸區一般選擇在赤道附近的低緯度區域,以保証火星車的太陽能電池板能獲得足夠的太陽光照,而且那裡夏季白天溫度為20多攝氏度,利於設備正常工作﹔第二是著陸點附近區域要平坦,盡量避免存在大塊岩石,確保探測器著陸時不會傾覆﹔第三是著陸點海拔要低,探測器著陸的過程十分凶險,地勢越低,越能為探測器著陸爭取緩沖時間。”楊宇光說。

工程安全讓科學探測如虎添翼。“得知成功的那一刻太激動了,要感謝這些航天工程專家,如果沒有他們,我們的科學目標就沒法實現。”5月15日凌晨,中國首次火星探測任務預先科學研究團隊成員,中國科學院地球化學研究所月球與行星科學中心、中國科學院比較行星學卓越創新中心研究員趙宇鴳便不斷刷新著各種網頁,捕捉天問一號的最新動態。

趙宇鴳和她的合作者們曾圍繞天問一號備選著陸區開展過地質環境的背景調查,“烏托邦平原是國際天文聯合會於1973年命名的,它是太陽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。有一些科學假說認為,烏托邦平原曾經有海洋,並存在著與水有關的地貌特征,如嚴重退化或掩埋的撞擊坑,這可能是由於沉積物被壓實導致﹔分布於中緯度地區的指紋地貌,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致永久凍土開裂形成。但烏托邦平原的古海洋還有待進一步探測,畢竟現在人類對火星北半球的研究程度還很低”。

特殊地理、氣候環境 讓火星北極地質具有獨特性

從太空俯視火星,這顆紅色星球雲集眾多地質奇觀。火星上的奧林帕斯山是太陽系中已知最高的火山,高約2.6萬米,約為珠穆朗瑪峰的3倍。

據美國國家航空航天局(NASA)分析,這極有可能是因為火星重力小,火山爆發率高,因此火星上的造山熔岩流動持續時間比在地球上長得多。

在趙宇鴳看來,“火星殼至今還沒有發現板塊運動的痕跡,這使得上涌的岩漿會在一個區域上不斷堆積,逐漸形成單一巨大的火山”。

火星的另一項地質紀錄是擁有太陽系中最深的峽谷,即靠近其赤道的水手峽谷,它長約4000千米,最深的地方為7千米,可媲美地球的東非大裂谷。“由於奧林帕斯山所在的薩希思火山省不斷隆升,造成鄰近區域火星殼的拉張陷落,水手大峽谷由此形成。有科學家對比了水手大峽谷兩岸的岩層,發現沒有發生錯動。但有關火星北部平原的形成,科學界還一直沒有達成共識。”趙宇鴳說。

趙宇鴳曾參與“機遇”號、“鳳凰”號和“好奇”號的數據分析。她介紹,科學家發現在不同的著陸點,火星車觀測到不同的局部環境,指示火星表面的地質多樣性。例如,“機遇”號火星車在火星子午線高原的沉積記錄中發現赤鐵礦小球,科學家推測這可能是由硫酸鐵氧化轉變而成﹔“勇氣”號火星車在古謝夫撞擊坑發現了熱泉環境﹔“鳳凰”號在火星北極著陸點的土壤中發現了水冰、碳酸鹽、高氯酸鹽等﹔“好奇”號在蓋爾撞擊坑發現了流水活動的証據以及湖相沉積物。同時,受區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,火星土壤的細粒組分較粗粒組分更為均一。

火星的“容顏”逐漸被人類揭開,其中,火星南北極最令趙宇鴳神往。“極地的探測很難,那裡日照短、寒冷,但地貌豐富,人類可以通過冰蓋的活動,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,冬季極區有時會擴張到北緯55度,天暖時又回縮,這個過程會導致大氣氣壓的變化,形成很大的風,所以極區的邊緣容易出現塵暴。

“火星北極特殊的地理、氣候環境,也讓那裡的地質具有獨特性。例如高氯酸鹽鮮見於地球自然界,它往往被人工合成用於火箭燃料等,但它卻被發現於火星北極土壤裡,而且是該區域氯元素的主要存在形式,在火星其他著陸點和火星隕石中,氯的存在形式主要類似地球的石鹽。我們的研究認為,在極低溫度和干燥環境下,凍融過程會使表土不斷富集高氯酸鹽而不是石鹽,這個現象即使在地球極地也是沒有的。”趙宇鴳表示。

趙宇鴳分享,今年“毅力”號火星車登陸的杰澤羅撞擊坑,在“當選”著陸點前,有一位強勁的競爭對手——古謝夫撞擊坑。“‘勇氣’號曾去過那裡,其著陸之前,科學家認為那裡以前是湖,因為撞擊坑外有河道流向,結果著陸后探測發現地表物質以玄武岩為主,完全是火山環境。”她說。

她介紹:“‘勇氣’號任務后期又發現了富硅的沉積物和硅華,在顯微鏡下看,硅華呈指凸狀,從外形看,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,科學家團隊在切開阿塔卡馬沙漠熱泉的硅華后,發現其中有生命的痕跡。”

未來載人登陸火星 赤道附近低平、有水區域或是首選

人類邁向深空探索的腳步從未停歇。“載人探火一直是國際太空計劃的目標。”趙宇鴳介紹,自1950年以來,涉及載人探火任務的概念性工作一直在進行。歐洲航天局制訂的“曙光計劃”中就有一項在2033年載人探火的旗艦任務。

如果有一天人類踏上火星,又該選擇什麼樣的落腳點?“相較於火星車著陸,載人探火要解決人的生存問題。”趙宇鴳說,熱源、水、氧氣以及返回地球的燃料,都將決定人類能否駐足火星。

“火星很冷,要尋找足夠的熱源,所以未來載人探火的選址,地勢要低平,最好處於赤道附近,便於吸收熱量。后期航天員返航時發射火箭,在赤道附近也會相對節省燃料。就水而言,目前沒有探測到火星有流動的水系,有一些遙感觀測數據發現火星山脈暴露的斷層裡夾雜冰層,但這些地區溫度很低,冰被凍了很久,很堅硬,很難開採。如果能提取出近地表的蒸發鹽中保存的水,或許也可以選擇富集這些鹽類的區域著陸,以便提供補給,同時水也可以用於制氧。”趙宇鴳說。

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

“從技術層面說,眼下,載人探火需要解決防輻射、巨型探測器著陸、降低成本等難題。”楊宇光說,人類往返火星的防輻射能力首當其沖,但載人探火沒有繞不過去的坎。

“歐洲曾經做過研究,一個航天員職業生涯接受輻射的劑量不能超過1西弗。但受發射窗口約束和變軌能力限制,人類僅往返火星和地球間就需要一年半以上的時間,如果中途再遇到太陽活動爆發,銀河宇宙線加持,就會影響航天員的生命安全。”楊宇光說。

趙宇鴳表示,“好奇”號的火星輻射環境實驗發現,火星表面的輻射暴露量約為國際空間站的2.5倍,而地火間往返旅行將受到的輻射為0.66±0.12西弗。

“但這並非沒有辦法解決,可以加厚航天員居住艙的金屬屏蔽層來防輻射,居住艙最好能重復使用,否則成本太高。不過這個問題如何解決,現在沒有定論。”楊宇光推測,載人往返火星路程遙遠、載荷龐大、系統復雜,飛船可能重達數百噸以上,這意味著單次載人往返火星的成本預計要在千億美元量級。

“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題。基於核反應堆的電推進技術,可能是一種途徑。”楊宇光說,相較於地球,火星接收的太陽能少很多,所以火星科考站的建立需要很高的儲能實力以抵御風暴天和極夜。而兆瓦級以上的基於核反應堆的電推進技術,可以提供更多動力來源,會使整個任務規模比太陽能電推或化學推進小很多,但人類目前的火箭發射技術難以保証每一次發射都成功,如果發射時爆炸,核污染是難以想象的。而建立核反應堆,冷卻也是需要解決的關鍵問題。

火星旅游必打卡景點指南

景點一:奧林帕斯山

它高約2.6萬米,大致相當於珠穆朗瑪峰高度的3倍,是太陽系中已知最高的火山。

它的形成極有可能是因為火星重力小,火山爆發率高,因此火星上的造山熔岩流動持續時間比在地球上長得多。此外,火星殼至今還沒有發現板塊運動痕跡,這使得上涌的岩漿會在一個區域上不斷堆積,逐漸行成單一巨大的火山。

景點二:水手峽谷

它靠近火星赤道,長約4000千米,最深處7千米,是太陽系中最深的峽谷。

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

景點三:北極

這裡雖然日照短、寒冷,但地貌豐富,人類可以通過冰蓋的活動,判斷火星氣候變化,分析其演化歷史。

此外,這裡還有地球自然界鮮見的高氯酸鹽,它在地球上往往被人工合成用於火箭燃料等。(金 鳳)

(責編:木勝玉、徐前)

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