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首都科学讲堂第673期《我们到火星去干什么?》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-11-29

  2020年11月28日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国工程院院士、中国地质科学院研究员赵文津,为大家带来题为《我们到火星去干什么?》的精彩讲座。

  

  我们到火星去干什么?

  中国火星探测器天问一号正在飞往火星途中,预计将于2021年4月抵达火星,开展一系列探测活动。我们为什么去火星?去火星干什么?火星着陆点如何选择?关于火星,你还能提出什么问题?

   第一讲 火星是一个神秘的星球

  在10月底的夜空中东南角,我们都可以看到一个红色星球,和月球紧挨着,这个就是火星。火星跟地球一样,是太阳系的八大行星之"一,属于类地行星,也是人类可以探索的、距离地球较近的行星之"一,所以探测火星更有意义。火星的半径是3380公里,比地球的半径要小很多。公转一周需要687天,火星表面重力仅仅相当于地球的39%。火星上大气稀薄,表面大气压相当于0.6%地球大气压。火星有两个卫星,火卫一和火卫二。

  由于我们用肉眼就可以观测到火星这颗红色星球,所以很早之"前人们对火星就产生很多联想,比如说,它具体是什么样?上面有没有生物?跟地球什么关系?西方人称火星为“战神”玛尔斯星。在中国古代,我们把它看作是一个吉凶祸福的象征。

  现在,我们进行火星探测主要围绕八个方面,火星地形地貌、火星地表岩石矿物、火星的行星物理场、探测深部结构和了解地下热流、水冰探测、大气、寻找可能的生命痕迹和条件,最后研究它的变化规律和机理。

  基于科研人员数十年的探测数据和影像,人们已对火星的基本地形地貌、地质构造、表面及次表面岩石矿物、磁场、重力场、大气成分及变化等方面已经有了初步的认识。

  比如,火星地貌最突出的特点是南北半球的强烈对比:北方是被低矮平原,南方则是充满陨石坑的古老高地,最大盆地为Borealis盆地,直径达1900千米;赤道附近有太阳系最大的火山奥林匹斯盾形火山区、水手大峡谷、萨希斯火山群;南北极有以干冰和水冰组成并呈旋扭形状的极冠;整个星球表面由风作用的沙丘地貌、侵蚀沉积地貌和流体冲刷沉积地貌组成。

  火星的火山和地球上的不太一样,除了重力较小使盾形火山能长得很高不易崩塌之"外,因缺乏明显的板块运动,火星内部的热量只能集中火山形式释放,熔岩的不断堆积也使火山越来越高。海拔约22千米的火星最高峰——奥林帕斯盾形火山就是由于大量熔岩喷发堆积而形成的。

  海盗号探测器、凤凰号、火星探测漫游者和好奇号都发现了高氯酸盐。这种物质在火星全球都有分布,在火星土壤中非常普遍;“凤凰号”采集的样品中高氯酸盐的含量在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、盆地和撞击坑、沙丘、冲积扇等形式。其中,最大的北极的Borealis盆地的直径1900公里,覆盖火星表面积40%,相当于欧洲+亚洲+澳洲的面积,可能是太阳系最大的撞击盆地。

  当然,这颗红色星球的更多奥秘还并不为人所知,还需要我们深入研究。

  第二讲 2020年迎来火星探测发射窗口期

  今年7月份,我们迎来火星探测发射的最佳时机,也就是窗口期。火星这个时候距离地球最近,飞往火星最节省燃料。

  此时,地球和太阳的连线与火星和太阳的连线呈44度夹角,这时从地面上发射探测器加速度到第二宇宙速度,就可以离开地球的引力场,进入一个椭圆形的地火转移轨道---雷曼转移轨道。之"后,沿着雷曼转移轨道的长轴飞行,火星探测器就可以达到火星的轨道上。

  2020年7月20日,阿联酋发射的是希望号;7月23日,中国发射了天问一号火星探测器;7月31日,美国发射了毅力号火星探测器。

  阿联酋的希望号主要是重点研究火星大气一年期间的动态,该国邀请美国的大学做了三台研究大气的仪器,然后请日本用火箭发射。他们希望通过火星大气的变化来研究火星的沙尘暴和地球中东沙漠地区的沙尘暴有什么关系。希望号还特别研究水在火星大气里头散失的情况。

  中国首次火星探测任务天问一号的科学目标主要有:一个是寻找过去生命存在的证据;第二个任务是制作火星的一个地表图,地表图就是地形加上火星上的各种物质;第三个就是对火星土壤成分进行研究;第四就是水冰的分布。第五是检测火星大气,尤其是电离层及表面气候与环境特征。

  美国的毅力号着陆点是在火星上的杰泽罗(Jezero)陨石坑,它重点研究生物存在的一些条件、痕迹;同时,对火星岩石钻样和搜集土壤样品;第三个就是利用火星大气中的二氧化碳来制造氧气,为人类登陆做准备。

  根据统计,人类对于火星的探测始于上个世纪60年代初,到目前为止,人类对火星的探测活动已经进行了47次,成功了22次。俄罗斯是20次,成功了3次,成功率比较低。美国是21次,成功了16次。欧空局3次,成功了2次。日本1次。印度1次。

  2011年,我国的萤火一号火星探测器计划搭乘俄罗斯火箭的便车前往火星,结果不幸失败。所以,可以看出来,发射探测火星最重要的就是大火箭和测控技术,再者就是是通信技术。

  火星车巡视探测成功4次,分别是美国索杰纳火星车(1996)、美国精神号(2003)、美国机遇号(2003)、美国好奇号(2011)。定点探测成功6次,分别是苏联火星3号(1971)、 美国海盗1号(1975)和海盗2号(1975)、美国火星探路者号(1991)、美国凤凰号(2007)、美国洞察号(2018)。

  从只有微波炉大小的火星探路者号1997年首次登陆火星,到2004年勇气号和机遇号先后抵达火星,再到2011年11月26日有着“有史以来最先进的地质学机器人”之"称、与陆虎汽车大小一样的好奇号火星探测器发射升空,美国迄今已经派出三代火星车去这颗红色星球上探索。

  第三讲 如何选择火星探测器登陆点?

  火星探测器登陆点的选择首先和其要完成的科学任务相关。美国的毅力号任务目标是了解火星上是否曾经存在过生命,所以选择在杰泽罗(Jezero)陨石坑降落。

  杰泽罗陨石坑的形成源自一个陨石撞上了火星。这个地方聚集了古老火星历史中大量沉积形成的水成沉积物,可以了解火星古老环境、水量大小以及寻找可能存在的生命遗迹。

  在已成功登陆的火星探测器中,凤凰号降落在靠近北极的地方,并首先在北极的次表层发现水冰;海盗2号选择在北纬50°附近着陆,在火星表面直接开展土壤、岩石样品分析,不仅发现火星上存在大量的玄武岩和硫酸盐类矿物,还发现火星历史上曾存在大量水。

  好奇号和洞察号的着陆点都在艾丽斯米火山南部的赤道附近的盖尔坑,好奇号发现了硫、氮、氧、磷、碳等生命必要元素,以及古代河流的证据;洞察号重点了解了火星内部活动情况、陨石撞击频度,以及火星内部结构特征;另外,包括2台火星车在内的5台探测器则集中着陆在水手大峡谷等多个峡谷谷口的大型冲积扇地带。

  第四讲 我们为什么要探测火星?

  探测火星是一个系统工程,其技术涉及到火箭发射、测控等方面。在火箭方面,能完成火星探测任务的火箭,必须具备发射十吨、二十吨载荷的能力。这么大的载荷就有可能发射很多东西了,所以它是直接跟国防联系,跟国家的经济实力联系,跟国家的科技实力联系。所以火箭发射能力能证明我们的综合国力,提高国家的自豪感和国民的安全感,所以这一条很重要。

  第二个意义是可以鼓励人们长期对天空提出遐思和企盼。仰望天空可以使人们更积极地关心未来,关心世界,这是我们做基础研究的一个源泉、动力。

  第三,就是由于深空探测发展了很多技术、设备和理论,这些转化过来可以带动新兴产业的发展。像美国探月计划的相关技术就有3000项运用到民用,包括网络技术,新技术、新材料开发,所以这些成果是可以转化成新兴产业的。例如,手提充电式吸尘器、可封口塑料袋和记忆泡沫床垫。

  第四,对比几个行星体的演化,反过来可以加深对地球环境的认识,推动我们保护地球,保护好地球的人居环境。这些也是我们反复强调的“青山绿水就是金山银山”。

  第五,就是使人类对宇宙的认识达到一个新的境界,有助于推动行星学或宇宙学基础学科的发展,比如引力论的发现证实和进一步的应用,这是很重要的。

  第五讲 如何培养学生的好奇心

  保持好奇心和探索未知的意愿,这是一个民族前进的动力和未来的希望。所有基础学科的发展都基于对自然规律的不懈追求。

  对于科学,最重要的是先有思路、好奇心、提出问题,然后去寻找一些答案,这就是我们认识自然的一个基本的途径和方法。任何自然科学的伟大发现,它的开始都由探索规律,探索自然的奥秘开始。

  中国从历史上来讲,对这个问题不是太鼓励。比如,中国古代有一种竹蜻蜓,手一搓就飞起来,我们可以玩几百年、几千年就是这个东西,但是我们不善于去探讨,从这个现象探讨它的原理,为什么它一搓就飞起来?其实,竹蜻蜓就是直升机的原理。

  比如说就喜马拉雅山,为什么地球上喜马拉雅山有世界上最高峰,它怎么造成的,我们就分析不够,不注意分析,不注意这个力的分析。比如说这有地震了,地震是什么,那就是地壳破裂了,怎么破裂,它一定得有力,没有力它不会破裂。我们就要分析这个力,要学会探求原理,探求它的原因,我们要不断地引导大家想问题。

  而我们不善于让青年人去想这个问题,想了这个问题自己去搜集资料,去弄清这个问题。我们非常习惯于灌输,像数理化,数学、物理、化学,这些都是外国来的,不是中国人的,我们学就让他记,其实人家都是自己实践经验总结的,人家就想问题。

  像门捷列夫搞元素周期表,拿了以后来回地分析,对这个元素比来比去,给它分类,最后他总结出规律来了。他提出问题,他就想办法弄清问题,这个最重要。

  我们应该多鼓励学生多提问题,然后自己找答案,也不要等着老师给答案,应该自己去想办法搜集资料,分析问题。这也是个习惯,也是个社会风气,也是个思想方法问题。

  任何知识要学习、得检验、证实、求证。我希望年轻人多想问题,提出问题,提存在的问题比我们知道的要多得多。因为我们人的精力有限,接触面有限,认识也是有限的,所以很需要年轻人按照这条路去开始探索。

  比如说星空,火星就是八大行星之"一,这是太阳系的,太阳系以外还有许多。除去星星之"外,有黑洞,现在白洞又来了,再比如地震波也好、光波也好、电磁波也好,现在又出来一个引力波,事物是不断地出现,而人的认识是有限的。

  仰望星空,无尽遐想,第一是要保持好奇心,探索未知的意愿。这是一个民族前进的动力和未来的希望,所有基础学科的发展都基于对自然规律的不懈的追求。

  第二是要关心地球,关爱地球。我们进行深空探测,越了解世界,我们越觉得地球是宝贵的,目前还没有任何星球像地球这样宜居,对人类这么适合,资源也很多,环境也很好,所以我们一定要爱护地球,利用好地球的资源,把人类生活过得更好。