火星地质奥秘即将揭开？

▲“好奇号”9日从盖尔坑传回的360度火星全景照。照片呈现出火星砂砾、碎石遍布的地貌，大片火红无止境地延伸，远方则是“好奇号”即将前往探索的夏普山的山脚。据悉，这张全景照由130张小影像拼组而成。


▲美国“机遇号”于2007年5月6日拍摄的火星维多利亚陨石坑北部的文森特角。此处岩石裸露明显，表明火星上沉积岩很多，更像是地球演化的中级阶段。

    最近几天，几乎所有的地球人都在关注着一个名为“好奇”的火星访客，而这位“明星”也的确不负众望，不仅安全着陆火星，而且正在陆续传回许多来自火星的影像和信息。

　　这只是它两年火星探测之旅的开始，之后，一系列有关火星的地质、气候以及生命迹象的勘查，将通过这个携带了一整套完整移动科学实验室的探测器全面展开。或许，人类藉此一举将可能破解许许多多长年悬而未决的困惑:火星上究竟是否曾经存在生命?火星的地质历史是怎样的?火星在未来是否能维持生命的存活?

　　1“好奇号”着陆盖尔陨石坑

　　8月6日，经过5.67亿公里、长达八个半月的长途跋涉，美国“好奇号”携带着人类对火星的“好奇心”，降落在火星南半球盖尔陨石坑内一个山脚下的平地。

　　“整个过程非常顺利。”参与美国火星探测器项目的华裔副总工程师刘登凯6日表示，从着陆点来看，“好奇号”基本上是降落在原来预定着陆点的20英里范围之内，登陆十分成功。“接下来的任务就是通过指令程序让‘好奇号’探测器在未来的两年里在火星表面按照预定目标进行调查、采集、化验、分析那里的客观环境和气候条件，从而研究那里是否存在某种形式的生命体或微生物。”

　　显然，让一个重达一吨、装有六个轮子的核驱动探测器完好无损地降落在指定位置是一项十分困难而且危险的任务，更何况这个地点是在遥远而且条件恶劣的火星。

　　最大的危险来自于火星本身的自然状况——“火星并不是一个友好的星球。火星会向你砸东西——尘暴和狂风。”美国国家航空航天局火星探测项目总监道格·麦奎逊说。甚至，一位美国国家航空航天局工程师将着陆火星的阶段称为“恐怖7分钟”:火星探测器从接触火星大气层顶部那一刻起，直到安全抵达火星表面，即进入大气层、下降和登陆阶段，整个过程耗时7分钟。在这7分钟时间里，“好奇号”在厚128公里但非常稀薄的火星大气中垂直跌落，承受高达约2400℃的高温，并引导自己猛烈减速，最终降落在巨大的盖尔陨石坑。

　　并不是每次登陆火星都如“好奇号”那样好运气。据美国《大众科学》月刊介绍，在“好奇号”之前，人类一共向火星派出17个着陆器，只有7个安全着陆——对于耗资数十亿美元和无数建造时间的浩大工程来说，大约40%的成功率并不算高。

　　前苏联发射的“火星2号”登陆器是首次着陆在这颗红色行星上的人造天体。1971年，这颗登陆器和它的姐妹登陆器“火星3号”一起发射升空。尽管这颗登陆器在长途旅行中一直保持良好状态，但在着陆过程中正遇上火星表面发生大规模尘暴，结果，“火星2号”系统出现故障，一头撞进火星上的海拉斯盆地而坠毁。几天后，“火星3号”到达火星遇到了同一场尘暴，尽管成功着陆，但着陆舱仅工作了22秒钟便与地球失去了联系。

　　“登陆火星确实风险很大，所以登陆点的选择非常重要。一方面，安全着陆是一切科学计划得以实现的前提;另一方面，从科学的角度选择好登陆点，可尽可能地提高科学成果的回报。”国家探月工程咨询专家、国土资源部探月科学家小组组长、中国工程院院士赵文津告诉记者，起初美国国家航空航天局选了50多个登陆点作为候选，经过层层筛选缩减至4个:埃伯斯瓦尔德坑、盖尔坑、霍顿坑、马沃斯谷。

　　“根据现有遥感数据、登陆星球的地表数据及研究成果，这四个地点都在地质科学上具有一定的意义——埃伯斯瓦尔德坑或许是火星上最好的三角洲地区;盖尔坑或许是火星上最厚的岩层断面;霍顿坑或许是最与众不同的冲积扇/湖;马沃斯谷可能为火星上最老的岩石断面。当然，最终的选择盖尔坑是安全、工程、科学种种因素综合考虑的结果。”赵文津说。

　　2火星地质的3个关键问题

　　“好奇号”是美国第四个火星探测器。

　　这个耗资25亿美元的“火星科学实验室”，体积如汽车一般大小，重约900公斤，是2004年登陆火星的“机遇号”和“精神号”火星车的5倍多。“好奇号”性能比先前的火星探测器更为强大，并携带了更多、更先进的探测设备和科学仪器，从而能够对火星的岩石及土壤进行深入研究。

　　“它完全可以和地球的地质学家一样研究火星表面的岩石和土壤。而之前的所有火星车只能用‘生物化学家’来形容。”一位有关人士曾这样表述。

　　的确，“好奇号”将用两年时间来完成它最重要的使命:研究火星上的气候和地质条件，调查火星浅层地表是否具有有利于微生物生存的环境，以及在火星岩石中寻找过去曾经存在的生命信息。而这样的任务，也只有“地质学家”才能完成。

　　美国航天局“好奇号”项目飞行主管托斯滕·左恩日前在接受新华社记者专访时证实了这一点:科学界最感兴趣的是通过“好奇号”更多了解火星的地质史。“我们将了解几百万年，甚至几十亿年前火星表面和大气成分的变化，还可以知道这个行星环境的历史变迁，这些将成为判断火星是否适合人类生活的重要参考。”

　　赵文津认为，有关火星地质历史的关键词主要三个:生命、气候和地质特征。

　　“能够证明火星上曾经存在生命对于科学家非常重要，因为有关宇宙生命物质的研究，火星是最佳的‘第一站’。如果发现火星上曾经有过生命，那么就能证明除了地球以外，其他星球有可能有生命存在。

　　“研究气候实际上是研究当前和过去气候的特点、气候变化的过程，以及行星表面的大部分地区是如何变化的。这也是了解该行星可能适合生命存在的关键。

　　“了解火星的成分、结构和形成、演化历史等地质特征。比如这次火星探测任务就计划进一步加深对于表面矿物、表面地质化学和表面水成过程知识;通过认识碳的化学特征和早期生命起源前的过程，指出是否复杂生命体是由于早期演化的大气环境或矿物催化反应的作用下产生的?这一问题是确定生命是否在火星上出现过或正在存在的基础。”

　　为了更详细地说明“好奇号”以及下一步人类需要达到的科学目标，赵文津干脆列出了一系列具体的问题:火星多种地质单元体的本质、年龄和起源是什么?来自轨道数据和登陆器数据的水成环境的证据中能否证明火星是可居住的?火星的历史环境是如何变化的，什么时候变化，为什么变化?这些环境因素是否孕育着生命或生命雏形?在大气和表面中碳成分和示踪气体的总量和动力学特征是怎样的?控制它们的起源、演化和命运的特征是什么?当前的气候是什么样的?它在百万年、千万年和一亿年时间尺度上是如何变化的?火星的内部结构是如何的?其动力学特征如何以及它们如何随时间演化?

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　　当然，目前我们尚且无法得知“好奇号”能否为人类提供破解这些科学难题的关键信息，但可以肯定的是，要想真正深入了解火星，采样带回地球是必要的前提。而将火星土壤等样本带回地球进行深入研究，没有“返程车票”的“好奇号”自然无法胜任，只能期待未来的火星探测任务来完成。

　　3国际深空探测的宠儿

　　火星探测是当今国际科学界和航天界关注和研究的重点和热点之一。而作为中国深空探测科学目标论证专家委员会专家，赵文津恰好格外关注当前国际国内有关火星探测的思路和计划。

　　2011年11月26日23时2分，“好奇号”火星探测器发射成功，顺利进入飞往火星的轨道，“火星科学实验室——好奇号火星登陆车”任务正式开启。

　　2013年，美国国家航空航天局将启动预计耗资4.38亿美元的“火星大气和挥发分演化”任务:11月18日至12月7日之间再向火星发射一颗探测器，探测器将装载3架科学探测仪器，用以确定当前火星上层大气结构和成分，以及气体进入到空间的速率，从而回答火星挥发分和大气的历史，帮助人类了解行星可居住性的本质。

　　2016年，美国国家航空航天局将开启“火星示踪气体轨道器”任务:帮助约束大气状态和演化过程;评价甲烷气体的分布与演化及其地质特征或可能的生物学特征。

　　2018年，美国国家航空航天局将与欧洲空间局联合启动“火星采样返回”任务。第一步是发射运载两台火星登陆车，重点研究可能与当前生命或地质活动有关的甲烷气体源。现在，科学家已经提出了5个候选登陆点。

　　火星是俄罗斯人的伤心地。从前苏联及俄罗斯探测火星的历史看，它的行动几乎都失败了，因此在航天界，一直存在着“火星不属于俄罗斯”的调侃。去年11月9日，俄罗斯“福布斯—土壤”探测器由俄罗斯“天顶—2SB”运载火箭发射升空时意外失利，并导致搭载的中国首颗火星探测器“萤火一号”也没能按计划造访火星。不过，作为航天大国，俄罗斯无论如何也不可能停止对火星的探测。

　　在美国等国积极推进火星探测计划同时，印度也不甘落后。据报道，印度政府已批准了印度太空研究组织2013年11月发射一颗小型卫星的建议，并已拨款4100万美元用于火星项目，预计这一项目的最终费用将达到1.12亿美元。这一火星探测卫星将携带最多25公斤的仪器，项目目标主要是研究火星气候、地质、起源、演化和生命的可持续性。

　　“逐步开展以火星为主要目标的探索活动也将是我国未来航天领域发展的必然趋势。现在，中国的火星探测工程也已经进入立项论证阶段。与嫦娥工程的思路很相似，也将采用‘三步走’的方案分阶段实施:第一步，实施火星环绕探测，并开展软着陆技术验证;第二步，实施火星软着陆，开展火星就位探测;第三步，实施火星无人采样返回。”赵文津说。

　　据赵文津介绍，环绕探测的主要目标是开展火星遥感探测，为软着陆任务获取火星表面图像，支持着陆点选择。火星软着陆成功后，释放火星表面巡视器，开展火星表面高精度就位、巡视探测。而后，充分继承火星环绕探测和着陆/就位探测的技术，结合地球、月球轨道交会对接、地球大气再入等相关技术的突破，通过1～2次发射和火星轨道交会对接，实现火星样品的无人采样返回，为载人深空探测奠定基础。

　　深空探测具有复杂性、探索性、创新性、风险性，投入巨大。对中国而言，月球和火星探测相关研究起步较晚，面临更多困难和问题，需要具有前瞻性、明确的科学目标来指引，更需要借鉴和总结国外的成果和经验，加强国际合作与交流。“这是一项多国、多学科、多领域结合，科学与技术结合的大工程大科学事业，只有组成‘科学家共同体’，与政府部门和相关机构结合，严谨制定科学研究计划和项目，注重基础科学研究、工程技术研发，实现信息和探测数据共享，才能真正加快我国火星探测的进程。”赵文津表示。