作者：陳廣強(qiáng)、豆國(guó)輝、王貴東

　　火星距離地球較近，是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國(guó)際行星探測(cè)的重點(diǎn)目標(biāo)，是除月球外人類探索最多的地外天體?；鹦谴髿鈹?shù)據(jù)測(cè)量能夠建立和完善火星大氣模型，而所有的火星航空器，例如氣球、直升機(jī)、撲翼機(jī)和固定翼飛機(jī)等，必須參考火星大氣測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研制，才能確保其工作性能。這對(duì)未來(lái)開(kāi)展火星探測(cè)研究、載人登陸和開(kāi)發(fā)火星資源具有重要的意義。

　　　1.火星大氣數(shù)據(jù)測(cè)量是火星探測(cè)的首要任務(wù)

　　在太陽(yáng)系中，火星環(huán)境與地球最為相似，可能保存著太陽(yáng)系生命起源和行星演化中，災(zāi)難性變化的最好記錄，對(duì)研究地球起源與演化具有非常重要的比較意義，是探尋地外生命、探索生命起源與演化等重大科學(xué)問(wèn)題最有價(jià)值的目標(biāo)之一。火星距離地球較近，也是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國(guó)際行星探測(cè)的重點(diǎn)目標(biāo)，是除月球外人類探索最多的地外天體。

　　火星大氣數(shù)據(jù)測(cè)量是火星探測(cè)的首要任務(wù)，對(duì)了解探測(cè)器來(lái)流參數(shù)、大氣環(huán)境和探索火星塵暴具有重要的意義。這種測(cè)量可以獲取火星大氣靜壓、密度和風(fēng)速等參數(shù)，建立和完善火星大氣模型，為下一步火星表面常規(guī)航空飛行器，如氣球、直升機(jī)、撲翼機(jī)和固定翼飛機(jī)等開(kāi)展探測(cè)提供技術(shù)支撐。

　　這是因?yàn)?，所有的火星航空器必須參考火星大氣測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研制才能確保其工作性能。因此，火星大氣數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)未來(lái)探測(cè)火星、載人登陸和資源開(kāi)發(fā)具有重要的意義。

　　“天問(wèn)一號(hào)”是我國(guó)首次探測(cè)火星的飛行任務(wù)，在國(guó)際上首次通過(guò)一次飛行任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”的三步跨越，是我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展又一具有里程碑意義的進(jìn)展。

　　此次“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了中國(guó)火星探測(cè)零的突破，也是國(guó)內(nèi)首次搭載火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)（MEADS），獲取了一手火星探測(cè)大氣科學(xué)數(shù)據(jù)。這使國(guó)內(nèi)行星科學(xué)大氣探測(cè)研究取得顯著進(jìn)步，成功開(kāi)啟了中國(guó)行星大氣探測(cè)的新征程?！疤靻?wèn)一號(hào)”任務(wù)的實(shí)施，構(gòu)建了中國(guó)獨(dú)立自主的行星大氣探測(cè)基礎(chǔ)工程體系。

　　目前，利用“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器搭載的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，我國(guó)已成功獲取了沿探測(cè)器飛行彈道海拔60千米以下的大氣靜壓、密度、風(fēng)速、總壓、馬赫數(shù)、攻角和側(cè)滑角等珍貴數(shù)據(jù)，完善和修正了現(xiàn)有的火星大氣數(shù)據(jù)模型，成為繼美國(guó)之后，世界第二個(gè)近距離測(cè)量火星大氣的國(guó)家。

　　　2.火星大氣受環(huán)境影響非常多變

　　我國(guó)此次“天問(wèn)一號(hào)”的火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其測(cè)量結(jié)果與歐洲航天局提供的火星大氣模型偏差較大，特別是在20千米高度以下，靜壓偏差達(dá)到120Pa，相對(duì)誤差接近100%。

　　這種情況此前也曾出現(xiàn)過(guò)——美國(guó)“機(jī)智”號(hào)火星直升機(jī)，多次出現(xiàn)由于靜壓降低，在地面無(wú)法正常起飛的現(xiàn)象?？梢酝茢?，火星大氣靜壓受到環(huán)境影響變化很大。這是對(duì)火星大氣探測(cè)的新進(jìn)展。

　　此前，世界其他國(guó)家也多次開(kāi)展了火星探測(cè)，在火星大氣探測(cè)方面，也取得了很多進(jìn)展?？茖W(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，火星大氣非常稀薄，密度只有地球的1%左右，表面大氣壓500Pa~700Pa。

　　火星大氣的主要成分為二氧化碳和氮?dú)獾?，而且?jīng)常有沙塵暴。火星大氣層與地球大氣層都有氮?dú)?、二氧化碳存在，這是火星與地球最大的相似之處。火星表面溫度白天最高可達(dá)28℃，夜晚降低到-132℃，平均-57℃。雖然二氧化碳含量是地球的幾倍，但因缺乏水汽，所以溫室效應(yīng)只有10℃，比地球的33℃低得多?；鹦谴髿獾倪@些特征決定了深空探測(cè)器在火星進(jìn)入階段必須要經(jīng)歷比地球大氣更稀薄、聲速更低的大氣環(huán)境，大氣介質(zhì)在飛行器高超聲速進(jìn)入中更易電離，電離后的高溫氣體將使探測(cè)器溫度升高。

　　二氧化碳是火星大氣的主要成分。冬天時(shí)，火星的極區(qū)進(jìn)入永夜，低溫使大氣中多達(dá)25%的二氧化碳在極冠沉淀成干冰，到了夏季則再度升華至火星大氣中。這個(gè)過(guò)程使得極區(qū)周圍的氣壓與大氣組成在一年之中變化很大。

　　和太陽(yáng)系其他星球相比，火星大氣有著較高比例的氬氣。不像二氧化碳會(huì)沉淀，氬氣的總含量是固定的，但因?yàn)榇髿庵卸趸嫉臐舛葧?huì)在冬夏季發(fā)生變化，氬氣在不同地點(diǎn)的相對(duì)含量也會(huì)隨季節(jié)而改變。根據(jù)近期的衛(wèi)星資料，南極區(qū)在秋季時(shí)氬氣含量提高，到了春季則會(huì)降低。

　　火星大氣變化很大。當(dāng)夏季二氧化碳升華回大氣時(shí)，留下微量的水汽。季節(jié)性、時(shí)速接近400公里的風(fēng)吹過(guò)極區(qū)，帶著大量的沙塵與水汽，其中水汽造就了霜與大片卷云。2008年，美國(guó)國(guó)家航空航天局“鳳凰”號(hào)發(fā)現(xiàn)火星地下冰——當(dāng)?shù)卮髿庵械乃衷谕砩蠒r(shí)會(huì)消失，同時(shí)土壤的水分則會(huì)增加。

　　火星大氣中含有十億分之一級(jí)的微量甲烷，這由美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的團(tuán)隊(duì)于2003年首次發(fā)現(xiàn)。甲烷的存在十分吸引人，它是不穩(wěn)定的氣體，必有某種來(lái)源。據(jù)估計(jì)，火星每年產(chǎn)生約270噸的甲烷，但由小行星帶來(lái)的只占0.8%。雖然地質(zhì)活動(dòng)也可提供，但火星近期缺乏火山活動(dòng)，甲烷來(lái)自熱液活動(dòng)、熱點(diǎn)等的可能性較低。微生物（如甲烷古菌）也可能是其來(lái)源之一，但尚未證實(shí)?；鹦羌淄榈姆植疾皇侨蛐缘?，這表示它在充分分布均勻之前就已被破壞，不過(guò)這也指出它是被不時(shí)釋放至大氣中的。目前火星探測(cè)計(jì)劃希望尋找可能的伴隨氣體，借以推測(cè)其甲烷的來(lái)源。因?yàn)?，在地球海洋中，生物產(chǎn)的甲烷常伴隨著乙烯，而火山作用產(chǎn)生的甲烷則伴隨著二氧化硫。

　　2005年，有研究發(fā)現(xiàn)橄欖石與水、二氧化碳于高溫高壓下蛇紋巖化后可產(chǎn)生甲烷，過(guò)程與生物無(wú)關(guān)。在地表下幾公里深即可滿足反應(yīng)的溫壓條件，且要維持目前甲烷濃度幾十億年，所需的橄欖石量并不多，增加了甲烷無(wú)機(jī)來(lái)源的可能。不過(guò)，如果要證實(shí)，就得發(fā)現(xiàn)此反應(yīng)的另一產(chǎn)物蛇紋巖。

　　歐洲航天局發(fā)現(xiàn)甲烷的分布不均勻，但卻和水汽的分布相當(dāng)一致。在上層大氣這兩種氣體分布均勻，但在地表卻集中在三處：阿拉伯地、埃律西昂平原和阿卡迪亞平原。有科學(xué)家認(rèn)為這種一致性增加了生物來(lái)源的可能。如果要證明甲烷的分布與生物有關(guān)，探測(cè)船或登陸艇需要攜帶質(zhì)譜儀，分析火星上碳12與碳14的比例（即放射性碳定年法），便可辨別出是生物還是非生物源。

　　2013年，根據(jù)“好奇”號(hào)得到的進(jìn)一步測(cè)量數(shù)據(jù)，美國(guó)國(guó)家航空航天局科學(xué)家報(bào)告，并沒(méi)有偵測(cè)到大氣甲烷存在跡象，測(cè)量值為0.18±0.67ppbv，對(duì)應(yīng)于1.3ppbv上限（95%置信限），因此總結(jié)甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不會(huì)排出任何甲烷，仍舊可能在火星發(fā)現(xiàn)這些不會(huì)排出任何甲烷的微生物。

　　　3.火星航天器都攜帶大氣探測(cè)傳感器

　　火星是太陽(yáng)系中與地球最相似的行星，是最有可能存在生命和實(shí)現(xiàn)人類移民的星球。早在人類開(kāi)始利用地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)深空的時(shí)候，對(duì)火星的觀測(cè)就開(kāi)始了。隨著航天科技的發(fā)展，人類開(kāi)始使用航天探測(cè)衛(wèi)星對(duì)火星進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，使系統(tǒng)性火星研究得以開(kāi)展。

　　2012年，美國(guó)國(guó)家航空航天局的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入艙成功進(jìn)入火星大氣層，并在火星表面蓋爾環(huán)形山位置安全著陸，實(shí)現(xiàn)了人類首次對(duì)火星大氣數(shù)據(jù)的近距離測(cè)量研究，其上就攜帶了嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)，即火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

　　目前，火星研究使用的衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)主要來(lái)自美國(guó)和歐洲航天局的火星軌道探測(cè)器?；鹦谴髿夂蜌夂虻难芯渴腔鹦呛教焯綔y(cè)的主要目標(biāo)之一，迄今發(fā)射的每一個(gè)火星航天探測(cè)器都攜帶有大氣探測(cè)傳感器用來(lái)研究火星大氣的狀態(tài)，分析火星氣候乃至研究火星大氣遠(yuǎn)古時(shí)候的狀態(tài)，進(jìn)而分析火星大氣和氣候長(zhǎng)期演變的原因。

　　由于火星大氣非常稀薄，密度只有地球的百分之一左右，其大氣的主要成分為二氧化碳和氮?dú)獾?，而且?jīng)常有沙塵暴。這種惡劣的氣候條件，對(duì)大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大影響。由于探測(cè)器在進(jìn)入火星大氣層的飛行彈道馬赫數(shù)高達(dá)30，而到達(dá)近地面時(shí)馬赫數(shù)接近2。飛行速域?qū)挘霈F(xiàn)馬赫數(shù)無(wú)關(guān)性和化學(xué)非平衡反應(yīng)效應(yīng)等物理現(xiàn)象對(duì)火星大氣數(shù)據(jù)測(cè)量算法建模造成很大困難。

　　在此次“天問(wèn)一號(hào)”的火星大氣測(cè)量任務(wù)中，我們的科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)火星探測(cè)器進(jìn)入飛行彈道的高馬赫數(shù)、化學(xué)非平衡效應(yīng)和低動(dòng)壓等特點(diǎn)，提出了大氣數(shù)據(jù)測(cè)量方法，并利用自主研發(fā)的航天計(jì)算流體力學(xué)軟件平臺(tái)（CACFD）的化學(xué)非平衡模型/完全氣體模型計(jì)算，獲得火星探測(cè)器寬速域飛行流場(chǎng)的表面壓力點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MEADS）算法模型。

　　　4.大氣逸散和水汽變化是未來(lái)研究重點(diǎn)

　　火星大氣初期探測(cè)階段主要目的是了解火星大氣和氣候的屬性信息，確定火星大氣是否適合生命的存在。二十世紀(jì)九十年代后多個(gè)火星探測(cè)器相繼升空，獲取了連續(xù)的火星航天觀測(cè)數(shù)據(jù)，這一階段火星大氣探測(cè)的主要目的除了初期的目的之外，理解火星大氣和氣候的分布和變化規(guī)律，研究其演變歷程也是主要目的。兩個(gè)階段中水汽都作為主要探測(cè)目標(biāo)之一。

　　火星就像一個(gè)低溫、干燥的荒漠式地球，具有明顯的季節(jié)變化和年際重復(fù)性，但南北半球具有不對(duì)稱性?；鹦菙?shù)十億年前曾經(jīng)擁有大氣層和液態(tài)水，曾經(jīng)適合生命繁衍。但如今的火星卻是一個(gè)冰冷的不毛之地，曾經(jīng)濃厚的大氣層現(xiàn)在卻變得十分稀薄?？茖W(xué)家推測(cè)，火星可能經(jīng)歷過(guò)重大變化。

　　火星大氣現(xiàn)狀研究能為了解火星發(fā)展歷程提供基礎(chǔ)信息，這對(duì)解答火星上是否有生命存在和人類能否移民火星等問(wèn)題非常重要。此外，研究火星大氣和氣候的演變過(guò)程可以更好地理解地球大氣與氣候變化，有助于預(yù)見(jiàn)地球氣候變化帶來(lái)的災(zāi)難性影響。

　　火星的大氣層從幾十億年前就已經(jīng)開(kāi)始流失，逐漸從一個(gè)濕潤(rùn)、溫暖的宜居星球變成了寒冷干燥的沙漠。迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)知道了火星磁層，但還沒(méi)弄清磁層如何影響著火星大氣層，以及太陽(yáng)風(fēng)到底輸送了多少能量從而導(dǎo)致大氣逸散，這也是未來(lái)開(kāi)展研究的重要方向。

　　大氣溫度是對(duì)大氣狀態(tài)的最基本的描述，也是熱紅外波譜反演大氣參數(shù)和隔離行星地表熱發(fā)射的起點(diǎn)?；鹦谴髿庵谐Ｄ陸腋≈鴼馊苣z，以沙塵和冷凝物兩種形式出現(xiàn)，氣溶膠會(huì)影響大氣熱結(jié)構(gòu)和影響大氣成分的時(shí)空分布，水汽含量在火星大氣中雖然很少，但水汽是變化最顯著的大氣成分，水汽循環(huán)是火星氣候研究的關(guān)鍵因素。

　　因此火星大氣研究最初多集中在大氣溫度、氣溶膠和水汽的空間分布和時(shí)空變化以及三者之間存在的相互影響關(guān)系上。隨著火星航天探測(cè)數(shù)據(jù)的增多，針對(duì)火星大氣中的痕量氣體(甲烷、水汽和臭氧等)成分的含量與分布研究開(kāi)始增加。水汽是火星上變化最大的痕量氣體，它的分布尤其是垂直分布，通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)和它產(chǎn)生的云的輻射效應(yīng)影響其他大氣過(guò)程。因而火星大氣中的水汽是火星大氣研究中最惹人注目的存在，而且水汽本身是變化劇烈的微量氣體，對(duì)于火星氣候循環(huán)有重要作用，也是火星上是否存在生命的佐證。

　　盡管對(duì)火星水汽的觀測(cè)已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年，但對(duì)于火星水汽循環(huán)機(jī)制仍然知之甚少，來(lái)源具體在哪兒、空間分布的形成原因、水汽與氣溶膠的耦合等也需要科學(xué)家們開(kāi)展更多研究。

　　（劉周、李國(guó)良、劉曉文、楊云軍、周偉江為共同作者，作者單位為：中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院）

　　《光明日?qǐng)?bào)》（ 2022年10月27日 16版）