歐陽自遠：2013年中國有望飛往火星

中國計劃，肩負三大遠期任務 追尋生命蹤跡

    我國已具備自主火星探測能力，有望在2013年實現首次自主火星探測器發射。這是10月21日在京舉行的空間技術論壇上傳出的信息。當日，以火星探測為主題的空間技術論壇在中國空間技術研究院舉行，我國航天領域的主要專家聚集一堂，共同商討我國自主火星探測問題。為使讀者更多了解我國2013年實施火星探測的目標和任務，我們特刊發與會專家的報告摘要並約請會上作專題報告的歐陽自遠院士結合其報告為本報科技文摘專欄撰文，敬請讀者關注。 ——編者

    探尋火星過去是否存在過生命；火星生命生存的環境——火星水體的活動與演化，為生命起源和探尋地外生命提供新的科學依據。

    1、探測現在火星生命活動的信息。

    1877年意大利米蘭天文臺臺長亞帕雷利斯基用天文望遠鏡觀測火星，發表了火星地圖。但是很遺憾，由於望遠鏡本身視覺上産生的誤差，他把很多點都連起來了，所以連成一條一條直線，這是很有名的一個科學觀測的火星圖，但卻得出了錯誤的結論，認為火星上有很多運河，因此猜測一定有火星人存在。這樣導致了上世紀初大量的科幻小説，地球人大戰火星人等等。

    1975年美國發射的海盜1號和海盜2號火星著陸器以及2007年發射的鳳凰號火星著陸器，通過大量的科學探測與科學實驗，證明火星現在沒有任何生命活動的跡象。

    2、探尋火星是否曾存在過生命。

    既然火星現在沒有任何生命活動的跡象，火星探測的主要任務轉變為探測它是否曾經存在過生命？哪怕是最低等、最原始的生命。

    在人類找到的20多塊火星隕石中，1984年在南極找到的ALH84001火星隕石的切片中，在電子顯微鏡下觀察到許多類似細菌的“化石”，科學家們還在爭論，這些“細菌化石”也許是非生物過程形成，也許是生命物質的化石。假若是生物成因，表明36億年前火星可能産生過最低等的生命，而當時地球上發育的生命也是同等水平的細菌。也許火星早期的生命被夭折，而地球的生命得以繁衍，至今仍然沒有結論。

    3、火星生命生存環境的探測。

    火星生命的探測重點轉移到探測火星生命生存的環境——火星水體的活動與演化。生命是指具有遺傳複製自己的能力，具有新陳代謝功能。實際上，學術界對“生命”的理解也有不同。

    一種觀點認為，生命的概念和有無生命的標準應以地球上的生命概念為標準，所有生物都是由碳氫化合物構成，以蛋白質的形式存在，以核酸作為遺傳物質基礎（對地外生命的探索中，大多數是以此為依據)。

    另一種觀點認為，生命組成成分不一定就是我們地球生物的模式，地外的生命可能存在另外的以硅或鍺替代碳，溶劑不是水而是乙二醇等構成的生命形態。目前，學術界仍然以地球生命的模式來探測地外的生命物質。

    現在我們知道，火星有一個大氣層，主要以二氧化碳為主，還有極少量氮氣、稀有氣體和水蒸氣，但是大氣層很稀薄，相當於地面35-40公里高度的大氣的稀薄程度。因為空氣稀薄，空氣的運動速度快，所以經常發生颱風，發生全球性的沙塵暴。

    火星的表面平均溫度很低，年平均溫度是零下30攝氏度左右。火星的地形現在也很清楚，北半球是一個低窪的，像一個極大的海洋盆地（但是沒有水），南半球有很多高山和巨大的峽谷。火星歷史上有大面積的火山噴發，奧林匹克火山高25千米，是太陽系最高的山峰。火星表面佈滿了由小天體撞擊火星表面形成的撞擊坑。

    在火星的照片裏都可以看出來，火星確實有過水的活動，火星探測器傳回的火星表面照片顯示出非常清晰的河道、支流、幹流和湖泊，表明火星上確實有過水體的活動。火星的極地有冰蓋，冰蓋的面積冬季增大，夏季縮小，冰蓋主要是乾冰，也有少量的水冰。另外火星表面的水蒸氣也非常稀少。

    以往的火星探測活動一直把評估火星過去存在過生命的環境研究作為焦點，研究者從綜合分析火星表面水的活動特徵；探測火星次表層是否存在水體；火星地質歷史時期水的演化模型以及火星上是否存在可支撐生物演化的潛在能源研究等個角度開展了火星古海洋與古水系的研究，恢復火星的古地理和古環境，研究火星水體的演化特徵，探測地下水的埋藏位置、深度與分佈等多方位的研究。2005年8月12日，美國宇航局發射了火星勘測軌道飛行器（MarsReconnaissance Orbiter）用於探測火星表面以下的岩石、冰以及液態水的分層情況。歐洲用雷達對當今火星水體的埋藏部位和水體的演化等做了觀測。

    迄今的研究大致可提供以下認識：1，火星表面現今沒有水體的正常活動；2，火星表面過去曾經有過明顯的水體活動；3，現今火星的水體可能埋藏在地下；4，火星表面分佈有大面積的蒸發鹽類礦物；5，沉積岩是唯一可能含有化石的岩石，尋找沉積岩將是探測火星過去存在過生命的關鍵。

　　研究太陽系起源

    探測與研究火星的演化以及與類地行星的比較研究，為太陽系的起源與演化研究提供新的科學論據。目前考慮有以下五方面的內容：

    1、火星空間環境、磁層與電離層的結構與特徵以及與水星、金星和地球的比較研究。

    2、火星大氣層的成分、密度、結構與成因以及與類地行星的比較研究。

    類地行星的大氣層是次生大氣層。類地行星的質量及與太陽的距離制約了行星大氣層的密度與溫度。類地行星的大氣組成還會受到行星的整體化學成分和行星熱演化的程度——成熟度的影響。地球的大氣層與水體具有協調發展的特徵，而金星、水星與火星的大氣層由於行星缺乏水體，具有非協調發展的特徵。

    3、火星的地形與地質構造特徵與類地行星的比較研究。

    類地行星的地形特徵是行星演化歷程中內力和外力作用的綜合結果。地球與金星仍然有持續的內力作用，不斷改變行星的地形格局與特徵；火星、水星和月球幾乎沒有內力地質作用，一般保持古老的地形格局與特徵。外力作用中，月球與水星僅有太陽輻射與小天體撞擊作用，火星與金星存在太陽輻射、小天體撞擊和風的外力作用；地球具備太陽、風、水體和小天體撞擊複合的外力作用；形成了類地行星的各類地形格局和特徵。

    4、火星的化學組成、化學演化與地球、月球的比較研究。

    月球只有超基性和基性的岩漿岩和玄武岩；火星上分佈有超基性、基性和中性岩，廣泛分佈玄武岩和安山岩；地球分佈有超基性、基性、中性、酸性和鹼性岩及其噴發火山岩。這些成果反映了行星演化的成熟度，也表明月球早期內部已經冷卻，是一個僵死的天體，火星屬於老年型行星，地球是一個壯年期行星。

    5、火星的內部物理場與結構的比較研究。

    火星與地球一樣具有圈層結構，分為殼、幔和核。火星曾經有過一個統一的偶極磁場，現演化為多極子磁場；火星早期內部有足夠的熱能，地質構造-岩漿-火山作用活躍，但缺乏酸性岩；火星已經演化成為老年期的行星。火星的探測為類地行星的演化歷史的比較研究提供了重要基礎，是研究太陽系起源與演化的關鍵領域。

    要強調的是，這方面要産出一些有價值的結論，需要持續的探測積累，並在此基礎上開展長期的比較研究。

　　探索移民可能性

    探討火星的長期改造與今後大量移民建立人類第二個棲息地的前景——再造一個地球。

    人類有望于在未來幾個世紀中將火星改造成一個適宜人類生存與發展的綠色星球。

    為什麼要選擇火星呢？這是因為火星是地球的“孿生姐妹”，兩者之間有許多相似之處。例如，地球上的一天是23小時56分，火星是24小時37分，兩者有幾乎相同的晝夜；地球的軌道面和赤道面的夾角是23度27分，火星是25度11分，它們有幾乎相同的季節變化。這些相似性都表明，火星與地球最相像，是外星球移民最好的候選行星。

    改造火星的主要科學技術問題：1，首先要提高火星表面溫度；2，增加大氣濃度，改變大氣組份；3，建立火星表面生態環境；4，建立火星農牧業，解決糧食自給；5，建設能源和原材料工業設施；6，建設人類生活基礎設施；7，實施火星旅遊或火星移民。

    通過幾個世紀的努力，人類有望將這顆貧瘠的行星改造成一個擁有蔚藍色天空、綠色平原、藍色湖泊和生態環境友好的新世界，地球-火星將成為人類社會持續發展的姐妹共同體。

　　火星探測簡史

    1962年前蘇聯“火星1號”探測火星，在飛離地球1億公里時與地面失去聯絡。它被看作是人類火星探測的開端。

    1965年美“水手4號”探測器飛越火星，從距離火星1萬公里處拍攝了21幅照片。

    1971年前蘇聯“火星2號”在火星著陸。

    1972年美“水手9號”沿火星軌道飛行，進行長期考察，成為火星的第一顆人造衛星。

    1974年前蘇聯“火星6號”和“火星7號”探測器在火星著陸，探測結果沒有公佈。

    1976年“海盜1號”和“海盜2號”在火星著陸。

    1989年“福布斯1號”和2號飛往火星途中失蹤。

    1993年“火星觀察者”抵達火星軌道前失蹤。

    1996年俄“火星-96”發射失敗。

    1997年“火星環球勘探者”進入火星軌道。

    1997年美“火星探路者”在火星著陸。

    1998年美國發射火星氣候探測器。

    1998年日本發射“希望號”火星探測器，但失敗。

    1999年美發射“火星極地著陸者”探測器。

    2001年美國發射“奧德賽號”火星探測器，發現火星表面可能有豐富的冰凍水。

    2003年歐洲發射“火星快車”。

    2003年攜帶“勇氣號”火星車的美國“火星探測流浪者”號探測器升空。次年1月，“勇氣號”在火星表面成功著陸。

    2008年美國“鳳凰”號探測器成功登陸火星。

　　太陽系的訪客們

    人類的太陽系探測共進行過251次，以月球和火星探測最多。

    月球：共113次（飛越，環繞，硬、軟著陸，無人取樣返回，載人登月。382千克月球樣品）

    火星：共42次（飛越，環繞，軟著陸，火星車、現場分析樣品）

    金星：共40次（飛越，環繞、軟著陸、現場分析）

    太陽：共15次（飛越，環繞）

    太陽風：共6次（飛越，環繞）

    木星與土星：共11次（飛越，環繞）

    水星：共2次（飛越，環繞）

    天王星與海王星：1次（飛越）全太陽系（空間望遠鏡）：共4次

    彗星：共9次（飛越，環繞，取樣返回）

    火衛-1：共2次小行星：共4次

    土衛-6：1次（飛越，環繞，軟著陸）

    冥王星：1次

　　我國深空探測戰略建議

    深空探測是人類探索宇宙的一個永恒的主題，它有廣闊無限的發展前景。它是在衛星應用和載人航天取得重大成就的基礎上，向更廣闊的太陽系空間進行的探索。深空探測的目標仍然是為了人類社會的可持續發展服務的，深空探測已經成為21世紀科技發展競爭的主要焦點之一，也是航天科技持續發展的必由之路。

　　各國紛紛亮出太陽系計劃

    當前人類主要探測的對像是自己的太陽系，重點是對月球和火星的探測。載人登月和建設月球基地都是各國月球探測活動的最終目標。而火星是最有可能有生命活動的天體，也許在200年或300年之後，火星是地球大量移民的一個主要對象。在21世紀上半葉，人類的火星探測將實現載人登上火星，建立火星基地。

    進入21世紀前後，全球範圍內興起了新一輪探月高潮，世界各國紛紛提出規模龐大的月球和火星探測計劃，其中有美國、歐空局、俄羅斯、中國、日本、德國、英國、法國、烏克蘭、奧地利、巴西、印度、韓國等。

    2005年，美國宣佈將人類的足跡擴展到整個太陽系的新太空計劃。2010年美國宣佈取消載人登月的“星座計劃”，將實現載人繞火星飛行和載人登陸火星與小行星。

    在已公佈的歐洲空間局月球探測計劃中，2020年前將進行不載人月球探測，2020-2025年開始載人登月，2030-2035年從月球載人登上火星。俄羅斯提出了建立月球基地、開發利用氦-3資源以及火星探測等計劃。

　　應協調“月”“火”任務

    月球和火星探測是當代深空探測（太陽系探測）的重點領域。中國首次月球探測工程的圓滿成功，標誌著我國已經進入世界具有深空探測能力的國家行列，必將加速我國月球與深空探測規劃的實施進程。

    我國深空探測的戰略方向與發展規劃必須與嫦娥一、二、三期工程有機結合，相互促進，協調發展，形成我國統一的深空探測國家戰略與發展計劃。

    我國實現繞月探測之後，有能力力爭開展首次繞火星探測（2013年）；相繼開展金星及小行星探測；在實現月面軟著陸與月球車巡視探測（2012年）的基礎上，適時開展首次火星軟著陸與火星車巡視探測（2017年）；在實現月球自動採樣返回（2017年）的基礎上，發射火星軟著陸器探測與自動採樣返回（2020年）。積極開展國際合作，使我國的火星探測融入國際主潮流。

　　加快行星科學人才培養

    新一輪探月潮、火星探測潮撲面而來的新形勢，對空間探測人才的培養提出了更高的要求，需要更多的具備行星學科背景而不是單一地球科學知識的人才參與學科交叉和雜交合作，以提高我國月球和行星探測的科學水平和創新能力。

    目前我國高校對行星科學人才的培養，近於空白。國內高校的地質學院和地質係，老師教學和學生學習基本局限于地球，很少聯絡到太陽系的其他行星。孤立地研究地球，而不去“串”地球兄弟姐妹的“門”，不去認識火星、金星等太陽系其他行星，很難真正了解地球的起源和演化。要系統研究地球與太陽系各個行星的共性與各自的特性，認識太陽系行星的先天遺傳和行星各自的後天發展，才能整體性、綜合性認識地球的起源和演化。

    “地球和行星科學”、“比較行星學”這些早已遍佈西方發達國家高校的專業，在國內高校卻難覓蹤跡。美國已有上百所大學開設了類似“地球與行星科學”專業，這就意味著國外高校的視野早已經從地球擴展到了整個太陽系。我國亟待拓寬視野，加快行星科學人才培養步伐。

　　我首次火星探測的科學目標

    1、火星表面地形地貌及其變化

    ①對火星表面進行成像，繪製火星全球遙感影像圖，分辨率10米左右；

    ②對火星表面進行地形測繪，繪製火星全球地形圖和地理地圖，分辨率為千米量級；

    ③對重點地區進行詳細探測，探明主要的地質構造和地形地貌特徵，為未來著陸器或載人登火星的登陸地點的論證和研究提供基礎資料；

    ④研究火星表面的動態變化及其主要地質營力；

    ⑤開展火星地質構造和地形地貌特徵的研究，包括火星全球地貌類型、流水地貌的識別和特徵、火山地貌和撞擊坑地貌、風蝕地貌及其變化特徵、極地冰川地貌等，火星全球地質構造單元的劃分和研究，特徵地質單元的識別和研究等等。

    2、火星表面礦物岩石分佈調查和資源分析

    ①火星全球礦物成分的大尺度分佈調查；

    ②火星全球岩石（玄武岩、安山岩）的分佈—花崗岩的發現；

    ③圈出火星表面沉積岩分佈區；

    ④火星表面礦物資源的鑒別和富集區初步研究。

    3、火星表面水體、水冰和大氣中水分子的探測與研究

    ①獲得火星大氣中水分子分佈特徵及其隨時間和空間的變化；

    ②對火星可能存在水的地區、沉積地層和流水地貌進行高分辨成像，分析研究火星表面曾經有過水體活動的證據。

    4、火星物理和大氣層探測

    ①探測火星大氣和成分。包括火星大氣層結構、化學成分和水/冰的含量，動態監視火星塵暴、天氣系統、雲、塵霧、臭氧層、水和塵埃的分佈和運移特徵；

    ②測量火星不同高度大氣和火星表面溫度；

    ③探測火星磁場特徵；

    ④探測火星重力場特徵；

    ⑤探測和研究火星電離層。