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欧阳自远:2013年中国有望飞往火星

发布时间:2010年10月26日 14:49 | 进入复兴论坛 | 来源:文汇报

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中国计划,肩负三大远期任务 追寻生命踪迹

    我国已具备自主火星探测能力,有望在2013年实现首次自主火星探测器发射。这是10月21日在京举行的空间技术论坛上传出的信息。当日,以火星探测为主题的空间技术论坛在中国空间技术研究院举行,我国航天领域的主要专家聚集一堂,共同商讨我国自主火星探测问题。为使读者更多了解我国2013年实施火星探测的目标和任务,我们特刊发与会专家的报告摘要并约请会上作专题报告的欧阳自远院士结合其报告为本报科技文摘专栏撰文,敬请读者关注。 ——编者

    探寻火星过去是否存在过生命;火星生命生存的环境——火星水体的活动与演化,为生命起源和探寻地外生命提供新的科学依据。

    1、探测现在火星生命活动的信息。

    1877年意大利米兰天文台台长亚帕雷利斯基用天文望远镜观测火星,发表了火星地图。但是很遗憾,由于望远镜本身视觉上产生的误差,他把很多点都连起来了,所以连成一条一条直线,这是很有名的一个科学观测的火星图,但却得出了错误的结论,认为火星上有很多运河,因此猜测一定有火星人存在。这样导致了上世纪初大量的科幻小说,地球人大战火星人等等。

    1975年美国发射的海盗1号和海盗2号火星着陆器以及2007年发射的凤凰号火星着陆器,通过大量的科学探测与科学实验,证明火星现在没有任何生命活动的迹象。

    2、探寻火星是否曾存在过生命。

    既然火星现在没有任何生命活动的迹象,火星探测的主要任务转变为探测它是否曾经存在过生命?哪怕是最低等、最原始的生命。

    在人类找到的20多块火星陨石中,1984年在南极找到的ALH84001火星陨石的切片中,在电子显微镜下观察到许多类似细菌的“化石”,科学家们还在争论,这些“细菌化石”也许是非生物过程形成,也许是生命物质的化石。假若是生物成因,表明36亿年前火星可能产生过最低等的生命,而当时地球上发育的生命也是同等水平的细菌。也许火星早期的生命被夭折,而地球的生命得以繁衍,至今仍然没有结论。

    3、火星生命生存环境的探测。

    火星生命的探测重点转移到探测火星生命生存的环境——火星水体的活动与演化。生命是指具有遗传复制自己的能力,具有新陈代谢功能。实际上,学术界对“生命”的理解也有不同。

    一种观点认为,生命的概念和有无生命的标准应以地球上的生命概念为标准,所有生物都是由碳氢化合物构成,以蛋白质的形式存在,以核酸作为遗传物质基础(对地外生命的探索中,大多数是以此为依据)。

    另一种观点认为,生命组成成分不一定就是我们地球生物的模式,地外的生命可能存在另外的以硅或锗替代碳,溶剂不是水而是乙二醇等构成的生命形态。目前,学术界仍然以地球生命的模式来探测地外的生命物质。

    现在我们知道,火星有一个大气层,主要以二氧化碳为主,还有极少量氮气、稀有气体和水蒸气,但是大气层很稀薄,相当于地面35-40公里高度的大气的稀薄程度。因为空气稀薄,空气的运动速度快,所以经常发生台风,发生全球性的沙尘暴。

    火星的表面平均温度很低,年平均温度是零下30摄氏度左右。火星的地形现在也很清楚,北半球是一个低洼的,像一个极大的海洋盆地(但是没有水),南半球有很多高山和巨大的峡谷。火星历史上有大面积的火山喷发,奥林匹克火山高25千米,是太阳系最高的山峰。火星表面布满了由小天体撞击火星表面形成的撞击坑。

    在火星的照片里都可以看出来,火星确实有过水的活动,火星探测器传回的火星表面照片显示出非常清晰的河道、支流、干流和湖泊,表明火星上确实有过水体的活动。火星的极地有冰盖,冰盖的面积冬季增大,夏季缩小,冰盖主要是干冰,也有少量的水冰。另外火星表面的水蒸气也非常稀少。

    以往的火星探测活动一直把评估火星过去存在过生命的环境研究作为焦点,研究者从综合分析火星表面水的活动特征;探测火星次表层是否存在水体;火星地质历史时期水的演化模型以及火星上是否存在可支撑生物演化的潜在能源研究等个角度开展了火星古海洋与古水系的研究,恢复火星的古地理和古环境,研究火星水体的演化特征,探测地下水的埋藏位置、深度与分布等多方位的研究。2005年8月12日,美国宇航局发射了火星勘测轨道飞行器(MarsReconnaissance Orbiter)用于探测火星表面以下的岩石、冰以及液态水的分层情况。欧洲用雷达对当今火星水体的埋藏部位和水体的演化等做了观测。

    迄今的研究大致可提供以下认识:1,火星表面现今没有水体的正常活动;2,火星表面过去曾经有过明显的水体活动;3,现今火星的水体可能埋藏在地下;4,火星表面分布有大面积的蒸发盐类矿物;5,沉积岩是唯一可能含有化石的岩石,寻找沉积岩将是探测火星过去存在过生命的关键。

  研究太阳系起源

    探测与研究火星的演化以及与类地行星的比较研究,为太阳系的起源与演化研究提供新的科学论据。目前考虑有以下五方面的内容:

    1、火星空间环境、磁层与电离层的结构与特征以及与水星、金星和地球的比较研究。

    2、火星大气层的成分、密度、结构与成因以及与类地行星的比较研究。

    类地行星的大气层是次生大气层。类地行星的质量及与太阳的距离制约了行星大气层的密度与温度。类地行星的大气组成还会受到行星的整体化学成分和行星热演化的程度——成熟度的影响。地球的大气层与水体具有协调发展的特征,而金星、水星与火星的大气层由于行星缺乏水体,具有非协调发展的特征。

    3、火星的地形与地质构造特征与类地行星的比较研究。

    类地行星的地形特征是行星演化历程中内力和外力作用的综合结果。地球与金星仍然有持续的内力作用,不断改变行星的地形格局与特征;火星、水星和月球几乎没有内力地质作用,一般保持古老的地形格局与特征。外力作用中,月球与水星仅有太阳辐射与小天体撞击作用,火星与金星存在太阳辐射、小天体撞击和风的外力作用;地球具备太阳、风、水体和小天体撞击复合的外力作用;形成了类地行星的各类地形格局和特征。

    4、火星的化学组成、化学演化与地球、月球的比较研究。

    月球只有超基性和基性的岩浆岩和玄武岩;火星上分布有超基性、基性和中性岩,广泛分布玄武岩和安山岩;地球分布有超基性、基性、中性、酸性和碱性岩及其喷发火山岩。这些成果反映了行星演化的成熟度,也表明月球早期内部已经冷却,是一个僵死的天体,火星属于老年型行星,地球是一个壮年期行星。

    5、火星的内部物理场与结构的比较研究。

    火星与地球一样具有圈层结构,分为壳、幔和核。火星曾经有过一个统一的偶极磁场,现演化为多极子磁场;火星早期内部有足够的热能,地质构造-岩浆-火山作用活跃,但缺乏酸性岩;火星已经演化成为老年期的行星。火星的探测为类地行星的演化历史的比较研究提供了重要基础,是研究太阳系起源与演化的关键领域。

    要强调的是,这方面要产出一些有价值的结论,需要持续的探测积累,并在此基础上开展长期的比较研究。

  探索移民可能性

    探讨火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的前景——再造一个地球。

    人类有望于在未来几个世纪中将火星改造成一个适宜人类生存与发展的绿色星球。

    为什么要选择火星呢?这是因为火星是地球的“孪生姐妹”,两者之间有许多相似之处。例如,地球上的一天是23小时56分,火星是24小时37分,两者有几乎相同的昼夜;地球的轨道面和赤道面的夹角是23度27分,火星是25度11分,它们有几乎相同的季节变化。这些相似性都表明,火星与地球最相像,是外星球移民最好的候选行星。

    改造火星的主要科学技术问题:1,首先要提高火星表面温度;2,增加大气浓度,改变大气组份;3,建立火星表面生态环境;4,建立火星农牧业,解决粮食自给;5,建设能源和原材料工业设施;6,建设人类生活基础设施;7,实施火星旅游或火星移民。

    通过几个世纪的努力,人类有望将这颗贫瘠的行星改造成一个拥有蔚蓝色天空、绿色平原、蓝色湖泊和生态环境友好的新世界,地球-火星将成为人类社会持续发展的姐妹共同体。

  火星探测简史

    1962年前苏联“火星1号”探测火星,在飞离地球1亿公里时与地面失去联系。它被看作是人类火星探测的开端。

    1965年美“水手4号”探测器飞越火星,从距离火星1万公里处拍摄了21幅照片。

    1971年前苏联“火星2号”在火星着陆。

    1972年美“水手9号”沿火星轨道飞行,进行长期考察,成为火星的第一颗人造卫星。

    1974年前苏联“火星6号”和“火星7号”探测器在火星着陆,探测结果没有公布。

    1976年“海盗1号”和“海盗2号”在火星着陆。

    1989年“福布斯1号”和2号飞往火星途中失踪。

    1993年“火星观察者”抵达火星轨道前失踪。

    1996年俄“火星-96”发射失败。

    1997年“火星环球勘探者”进入火星轨道。

    1997年美“火星探路者”在火星着陆。

    1998年美国发射火星气候探测器。

    1998年日本发射“希望号”火星探测器,但失败。

    1999年美发射“火星极地着陆者”探测器。

    2001年美国发射“奥德赛号”火星探测器,发现火星表面可能有丰富的冰冻水。

    2003年欧洲发射“火星快车”。

    2003年携带“勇气号”火星车的美国“火星探测流浪者”号探测器升空。次年1月,“勇气号”在火星表面成功着陆。

    2008年美国“凤凰”号探测器成功登陆火星。

  太阳系的访客们

    人类的太阳系探测共进行过251次,以月球和火星探测最多。

    月球:共113次(飞越,环绕,硬、软着陆,无人取样返回,载人登月。382千克月球样品)

    火星:共42次(飞越,环绕,软着陆,火星车、现场分析样品)

    金星:共40次(飞越,环绕、软着陆、现场分析)

    太阳:共15次(飞越,环绕)

    太阳风:共6次(飞越,环绕)

    木星与土星:共11次(飞越,环绕)

    水星:共2次(飞越,环绕)

    天王星与海王星:1次(飞越)全太阳系(空间望远镜):共4次

    彗星:共9次(飞越,环绕,取样返回)

    火卫-1:共2次小行星:共4次

    土卫-6:1次(飞越,环绕,软着陆)

    冥王星:1次

  我国深空探测战略建议

    深空探测是人类探索宇宙的一个永恒的主题,它有广阔无限的发展前景。它是在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上,向更广阔的太阳系空间进行的探索。深空探测的目标仍然是为了人类社会的可持续发展服务的,深空探测已经成为21世纪科技发展竞争的主要焦点之一,也是航天科技持续发展的必由之路。

  各国纷纷亮出太阳系计划

    当前人类主要探测的对象是自己的太阳系,重点是对月球和火星的探测。载人登月和建设月球基地都是各国月球探测活动的最终目标。而火星是最有可能有生命活动的天体,也许在200年或300年之后,火星是地球大量移民的一个主要对象。在21世纪上半叶,人类的火星探测将实现载人登上火星,建立火星基地。

    进入21世纪前后,全球范围内兴起了新一轮探月高潮,世界各国纷纷提出规模庞大的月球和火星探测计划,其中有美国、欧空局、俄罗斯、中国、日本、德国、英国、法国、乌克兰、奥地利、巴西、印度、韩国等。

    2005年,美国宣布将人类的足迹扩展到整个太阳系的新太空计划。2010年美国宣布取消载人登月的“星座计划”,将实现载人绕火星飞行和载人登陆火星与小行星。

    在已公布的欧洲空间局月球探测计划中,2020年前将进行不载人月球探测,2020-2025年开始载人登月,2030-2035年从月球载人登上火星。俄罗斯提出了建立月球基地、开发利用氦-3资源以及火星探测等计划。

  应协调“月”“火”任务

    月球和火星探测是当代深空探测(太阳系探测)的重点领域。中国首次月球探测工程的圆满成功,标志着我国已经进入世界具有深空探测能力的国家行列,必将加速我国月球与深空探测规划的实施进程。

    我国深空探测的战略方向与发展规划必须与嫦娥一、二、三期工程有机结合,相互促进,协调发展,形成我国统一的深空探测国家战略与发展计划。

    我国实现绕月探测之后,有能力力争开展首次绕火星探测(2013年);相继开展金星及小行星探测;在实现月面软着陆与月球车巡视探测(2012年)的基础上,适时开展首次火星软着陆与火星车巡视探测(2017年);在实现月球自动采样返回(2017年)的基础上,发射火星软着陆器探测与自动采样返回(2020年)。积极开展国际合作,使我国的火星探测融入国际主潮流。

  加快行星科学人才培养

    新一轮探月潮、火星探测潮扑面而来的新形势,对空间探测人才的培养提出了更高的要求,需要更多的具备行星学科背景而不是单一地球科学知识的人才参与学科交叉和杂交合作,以提高我国月球和行星探测的科学水平和创新能力。

    目前我国高校对行星科学人才的培养,近于空白。国内高校的地质学院和地质系,老师教学和学生学习基本局限于地球,很少联系到太阳系的其他行星。孤立地研究地球,而不去“串”地球兄弟姐妹的“门”,不去认识火星、金星等太阳系其他行星,很难真正了解地球的起源和演化。要系统研究地球与太阳系各个行星的共性与各自的特性,认识太阳系行星的先天遗传和行星各自的后天发展,才能整体性、综合性认识地球的起源和演化。

    “地球和行星科学”、“比较行星学”这些早已遍布西方发达国家高校的专业,在国内高校却难觅踪迹。美国已有上百所大学开设了类似“地球与行星科学”专业,这就意味着国外高校的视野早已经从地球扩展到了整个太阳系。我国亟待拓宽视野,加快行星科学人才培养步伐。

  我首次火星探测的科学目标

    1、火星表面地形地貌及其变化

    ①对火星表面进行成像,绘制火星全球遥感影像图,分辨率10米左右;

    ②对火星表面进行地形测绘,绘制火星全球地形图和地理地图,分辨率为千米量级;

    ③对重点地区进行详细探测,探明主要的地质构造和地形地貌特征,为未来着陆器或载人登火星的登陆地点的论证和研究提供基础资料;

    ④研究火星表面的动态变化及其主要地质营力;

    ⑤开展火星地质构造和地形地貌特征的研究,包括火星全球地貌类型、流水地貌的识别和特征、火山地貌和撞击坑地貌、风蚀地貌及其变化特征、极地冰川地貌等,火星全球地质构造单元的划分和研究,特征地质单元的识别和研究等等。

    2、火星表面矿物岩石分布调查和资源分析

    ①火星全球矿物成分的大尺度分布调查;

    ②火星全球岩石(玄武岩、安山岩)的分布—花岗岩的发现;

    ③圈出火星表面沉积岩分布区;

    ④火星表面矿物资源的鉴别和富集区初步研究。

    3、火星表面水体、水冰和大气中水分子的探测与研究

    ①获得火星大气中水分子分布特征及其随时间和空间的变化;

    ②对火星可能存在水的地区、沉积地层和流水地貌进行高分辨成像,分析研究火星表面曾经有过水体活动的证据。

    4、火星物理和大气层探测

    ①探测火星大气和成分。包括火星大气层结构、化学成分和水/冰的含量,动态监视火星尘暴、天气系统、云、尘雾、臭氧层、水和尘埃的分布和运移特征;

    ②测量火星不同高度大气和火星表面温度;

    ③探测火星磁场特征;

    ④探测火星重力场特征;

    ⑤探测和研究火星电离层。