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    首都科學講堂第673期《我們到火星去干什么?》

    信息來源:北京科學中心      發布時間:2020-11-29

      2020年11月28日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了中國工程院院士、中國地質科學院研究員趙文津,為大家帶來題為《我們到火星去干什么?》的精彩講座。

      

      我們到火星去干什么?

      中國火星探測器天問一號正在飛往火星途中,預計將于2021年4月抵達火星,開展一系列探測活動。我們為什么去火星?去火星干什么?火星著陸點如何選擇?關于火星,你還能提出什么問題?

       第一講 火星是一個神秘的星球

      在10月底的夜空中東南角,我們都可以看到一個紅色星球,和月球緊挨著,這個就是火星。火星跟地球一樣,是太陽系的八大行星之一,屬于類地行星,也是人類可以探索的、距離地球較近的行星之一,所以探測火星更有意義。火星的半徑是3380公里,比地球的半徑要小很多。公轉一周需要687天,火星表面重力僅僅相當于地球的39%。火星上大氣稀薄,表面大氣壓相當于0.6%地球大氣壓。火星有兩個衛星,火衛一和火衛二。

      由于我們用肉眼就可以觀測到火星這顆紅色星球,所以很早之前人們對火星就產生很多聯想,比如說,它具體是什么樣?上面有沒有生物?跟地球什么關系?西方人稱火星為“戰神”瑪爾斯星。在中國古代,我們把它看作是一個吉兇禍福的象征。

      現在,我們進行火星探測主要圍繞八個方面,火星地形地貌、火星地表巖石礦物、火星的行星物理場、探測深部結構和了解地下熱流、水冰探測、大氣、尋找可能的生命痕跡和條件,最后研究它的變化規律和機理。

      基于科研人員數十年的探測數據和影像,人們已對火星的基本地形地貌、地質構造、表面及次表面巖石礦物、磁場、重力場、大氣成分及變化等方面已經有了初步的認識。

      比如,火星地貌最突出的特點是南北半球的強烈對比:北方是被低矮平原,南方則是充滿隕石坑的古老高地,最大盆地為Borealis盆地,直徑達1900千米;赤道附近有太陽系最大的火山奧林匹斯盾形火山區、水手大峽谷、薩希斯火山群;南北極有以干冰和水冰組成并呈旋扭形狀的極冠;整個星球表面由風作用的沙丘地貌、侵蝕沉積地貌和流體沖刷沉積地貌組成。

      火星的火山和地球上的不太一樣,除了重力較小使盾形火山能長得很高不易崩塌之外,因缺乏明顯的板塊運動,火星內部的熱量只能集中火山形式釋放,熔巖的不斷堆積也使火山越來越高。海拔約22千米的火星最高峰——奧林帕斯盾形火山就是由于大量熔巖噴發堆積而形成的。

      海盜號探測器、鳳凰號、火星探測漫游者和好奇號都發現了高氯酸鹽。這種物質在火星全球都有分布,在火星土壤中非常普遍;“鳳凰號”采集的樣品中高氯酸鹽的含量在0.4%-0.6%。

      火星的地形地貌很有特色,主要有南部高地和北部低地、火山、裂谷、平原、盆地和撞擊坑、沙丘、沖積扇等形式。其中,最大的北極的Borealis盆地的直徑1900公里,覆蓋火星表面積40%,相當于歐洲+亞洲+澳洲的面積,可能是太陽系最大的撞擊盆地。

      當然,這顆紅色星球的更多奧秘還并不為人所知,還需要我們深入研究。

      第二講 2020年迎來火星探測發射窗口期

      今年7月份,我們迎來火星探測發射的最佳時機,也就是窗口期。火星這個時候距離地球最近,飛往火星最節省燃料。

      此時,地球和太陽的連線與火星和太陽的連線呈44度夾角,這時從地面上發射探測器加速度到第二宇宙速度,就可以離開地球的引力場,進入一個橢圓形的地火轉移軌道---雷曼轉移軌道。之后,沿著雷曼轉移軌道的長軸飛行,火星探測器就可以達到火星的軌道上。

      2020年7月20日,阿聯酋發射的是希望號;7月23日,中國發射了天問一號火星探測器;7月31日,美國發射了毅力號火星探測器。

      阿聯酋的希望號主要是重點研究火星大氣一年期間的動態,該國邀請美國的大學做了三臺研究大氣的儀器,然后請日本用火箭發射。他們希望通過火星大氣的變化來研究火星的沙塵暴和地球中東沙漠地區的沙塵暴有什么關系。希望號還特別研究水在火星大氣里頭散失的情況。

      中國首次火星探測任務天問一號的科學目標主要有:一個是尋找過去生命存在的證據;第二個任務是制作火星的一個地表圖,地表圖就是地形加上火星上的各種物質;第三個就是對火星土壤成分進行研究;第四就是水冰的分布。第五是檢測火星大氣,尤其是電離層及表面氣候與環境特征。

      美國的毅力號著陸點是在火星上的杰澤羅(Jezero)隕石坑,它重點研究生物存在的一些條件、痕跡;同時,對火星巖石鉆樣和搜集土壤樣品;第三個就是利用火星大氣中的二氧化碳來制造氧氣,為人類登陸做準備。

      根據統計,人類對于火星的探測始于上個世紀60年代初,到目前為止,人類對火星的探測活動已經進行了47次,成功了22次。俄羅斯是20次,成功了3次,成功率比較低。美國是21次,成功了16次。歐空局3次,成功了2次。日本1次。印度1次。

      2011年,我國的螢火一號火星探測器計劃搭乘俄羅斯火箭的便車前往火星,結果不幸失敗。所以,可以看出來,發射探測火星最重要的就是大火箭和測控技術,再者就是是通信技術。

      火星車巡視探測成功4次,分別是美國索杰納火星車(1996)、美國精神號(2003)、美國機遇號(2003)、美國好奇號(2011)。定點探測成功6次,分別是蘇聯火星3號(1971)、 美國海盜1號(1975)和海盜2號(1975)、美國火星探路者號(1991)、美國鳳凰號(2007)、美國洞察號(2018)。

      從只有微波爐大小的火星探路者號1997年首次登陸火星,到2004年勇氣號和機遇號先后抵達火星,再到2011年11月26日有著“有史以來最先進的地質學機器人”之稱、與陸虎汽車大小一樣的好奇號火星探測器發射升空,美國迄今已經派出三代火星車去這顆紅色星球上探索。

      第三講 如何選擇火星探測器登陸點?

      火星探測器登陸點的選擇首先和其要完成的科學任務相關。美國的毅力號任務目標是了解火星上是否曾經存在過生命,所以選擇在杰澤羅(Jezero)隕石坑降落。

      杰澤羅隕石坑的形成源自一個隕石撞上了火星。這個地方聚集了古老火星歷史中大量沉積形成的水成沉積物,可以了解火星古老環境、水量大小以及尋找可能存在的生命遺跡。

      在已成功登陸的火星探測器中,鳳凰號降落在靠近北極的地方,并首先在北極的次表層發現水冰;海盜2號選擇在北緯50°附近著陸,在火星表面直接開展土壤、巖石樣品分析,不僅發現火星上存在大量的玄武巖和硫酸鹽類礦物,還發現火星歷史上曾存在大量水。

      好奇號和洞察號的著陸點都在艾麗斯米火山南部的赤道附近的蓋爾坑,好奇號發現了硫、氮、氧、磷、碳等生命必要元素,以及古代河流的證據;洞察號重點了解了火星內部活動情況、隕石撞擊頻度,以及火星內部結構特征;另外,包括2臺火星車在內的5臺探測器則集中著陸在水手大峽谷等多個峽谷谷口的大型沖積扇地帶。

      第四講 我們為什要探測火星?

      探測火星是一個系統工程,其技術涉及到火箭發射、測控等方面。在火箭方面,能完成火星探測任務的火箭,必須具備發射十噸、二十噸載荷的能力。這么大的載荷就有可能發射很多東西了,所以它是直接跟國防聯系,跟國家的經濟實力聯系,跟國家的科技實力聯系。所以火箭發射能力能證明我們的綜合國力,提高國家的自豪感和國民的安全感,所以這一條很重要。

      第二個意義是可以鼓勵人們長期對天空提出遐思和企盼。仰望天空可以使人們更積極地關心未來,關心世界,這是我們做基礎研究的一個源泉、動力。

      第三,就是由于深空探測發展了很多技術、設備和理論,這些轉化過來可以帶動新興產業的發展。像美國探月計劃的相關技術就有3000項運用到民用,包括網絡技術,新技術、新材料開發,所以這些成果是可以轉化成新興產業的。例如,手提充電式吸塵器、可封口塑料袋和記憶泡沫床墊。

      第四,對比幾個行星體的演化,反過來可以加深對地球環境的認識,推動我們保護地球,保護好地球的人居環境。這些也是我們反復強調的“青山綠水就是金山銀山”。

      第五,就是使人類對宇宙的認識達到一個新的境界,有助于推動行星學或宇宙學基礎學科的發展,比如引力論的發現證實和進一步的應用,這是很重要的。

      第五講 如何培養學生的好奇心

      保持好奇心和探索未知的意愿,這是一個民族前進的動力和未來的希望。所有基礎學科的發展都基于對自然規律的不懈追求。

      對于科學,最重要的是先有思路、好奇心、提出問題,然后去尋找一些答案,這就是我們認識自然的一個基本的途徑和方法。任何自然科學的偉大發現,它的開始都由探索規律,探索自然的奧秘開始。

      中國從歷史上來講,對這個問題不是太鼓勵。比如,中國古代有一種竹蜻蜓,手一搓就飛起來,我們可以玩幾百年、幾千年就是這個東西,但是我們不善于去探討,從這個現象探討它的原理,為什么它一搓就飛起來?其實,竹蜻蜓就是直升機的原理。

      比如說就喜馬拉雅山,為什么地球上喜馬拉雅山有世界上最高峰,它怎么造成的,我們就分析不夠,不注意分析,不注意這個力的分析。比如說這有地震了,地震是什么,那就是地殼破裂了,怎么破裂,它一定得有力,沒有力它不會破裂。我們就要分析這個力,要學會探求原理,探求它的原因,我們要不斷地引導大家想問題。

      而我們不善于讓青年人去想這個問題,想了這個問題自己去搜集資料,去弄清這個問題。我們非常習慣于灌輸,像數理化,數學、物理、化學,這些都是外國來的,不是中國人的,我們學就讓他記,其實人家都是自己實踐經驗總結的,人家就想問題。

      像門捷列夫搞元素周期表,拿了以后來回地分析,對這個元素比來比去,給它分類,最后他總結出規律來了。他提出問題,他就想辦法弄清問題,這個最重要。

      我們應該多鼓勵學生多提問題,然后自己找答案,也不要等著老師給答案,應該自己去想辦法搜集資料,分析問題。這也是個習慣,也是個社會風氣,也是個思想方法問題。

      任何知識要學習、得檢驗、證實、求證。我希望年輕人多想問題,提出問題,提存在的問題比我們知道的要多得多。因為我們人的精力有限,接觸面有限,認識也是有限的,所以很需要年輕人按照這條路去開始探索。

      比如說星空,火星就是八大行星之一,這是太陽系的,太陽系以外還有許多。除去星星之外,有黑洞,現在白洞又來了,再比如地震波也好、光波也好、電磁波也好,現在又出來一個引力波,事物是不斷地出現,而人的認識是有限的。

      仰望星空,無盡遐想,第一是要保持好奇心,探索未知的意愿。這是一個民族前進的動力和未來的希望,所有基礎學科的發展都基于對自然規律的不懈的追求。

      第二是要關心地球,關愛地球。我們進行深空探測,越了解世界,我們越覺得地球是寶貴的,目前還沒有任何星球像地球這樣宜居,對人類這么適合,資源也很多,環境也很好,所以我們一定要愛護地球,利用好地球的資源,把人類生活過得更好。

       

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