科普之窗

登陆火星第一步:大气探测

冯杰

2022-11-23 01:57

陈广强 豆国辉 王贵东
光明日报( 2022年10月27日 16版)

火星距离地球较近,是人类有望率先登陆的地外行星,因此一直是国际行星探测的重点目标,是除月球外人类探索最多的地外天体。火星大气数据测量能够建立和完善火星大气模型,而所有的火星航空器,例如气球、直升机、扑翼机和固定翼飞机等,必须参考火星大气测量数据进行开发和研制,才能确保其工作性能。这对未来开展火星探测研究、载人登陆和开发火星资源具有重要的意义。

1.火星大气数据测量是火星探测的首要任务

在太阳系中,火星环境与地球最为相似,可能保存着太阳系生命起源和行星演化中,灾难性变化的最好记录,对研究地球起源与演化具有非常重要的比较意义,是探寻地外生命、探索生命起源与演化等重大科学问题最有价值的目标之一。火星距离地球较近,也是人类有望率先登陆的地外行星,因此一直是国际行星探测的重点目标,是除月球外人类探索最多的地外天体。

火星大气数据测量是火星探测的首要任务,对了解探测器来流参数、大气环境和探索火星尘暴具有重要的意义。这种测量可以获取火星大气静压、密度和风速等参数,建立和完善火星大气模型,为下一步火星表面常规航空飞行器,如气球、直升机、扑翼机和固定翼飞机等开展探测提供技术支撑。

这是因为,所有的火星航空器必须参考火星大气测量数据进行开发和研制才能确保其工作性能。因此,火星大气数据测量对未来探测火星、载人登陆和资源开发具有重要的意义。

“天问一号”是我国首次探测火星的飞行任务,在国际上首次通过一次飞行任务实现火星“环绕、着陆、巡视”的三步跨越,是我国航天事业发展又一具有里程碑意义的进展。

此次“天问一号”任务实现了中国火星探测零的突破,也是国内首次搭载火星进入大气数据测量系统(MEADS),获取了一手火星探测大气科学数据。这使国内行星科学大气探测研究取得显著进步,成功开启了中国行星大气探测的新征程。“天问一号”任务的实施,构建了中国独立自主的行星大气探测基础工程体系。

目前,利用“天问一号”火星探测器搭载的大气数据测量系统,我国已成功获取了沿探测器飞行弹道海拔60千米以下的大气静压、密度、风速、总压、马赫数、攻角和侧滑角等珍贵数据,完善和修正了现有的火星大气数据模型,成为继美国之后,世界第二个近距离测量火星大气的国家。

2.火星大气受环境影响非常多变

我国此次“天问一号”的火星进入大气数据系统,其测量结果与欧洲航天局提供的火星大气模型偏差较大,特别是在20千米高度以下,静压偏差达到120Pa,相对误差接近100%。

这种情况此前也曾出现过——美国“机智”号火星直升机,多次出现由于静压降低,在地面无法正常起飞的现象。可以推断,火星大气静压受到环境影响变化很大。这是对火星大气探测的新进展。

此前,世界其他国家也多次开展了火星探测,在火星大气探测方面,也取得了很多进展。科学家们已经发现,火星大气非常稀薄,密度只有地球的1%左右,表面大气压500Pa~700Pa。

火星大气的主要成分为二氧化碳和氮气等,而且经常有沙尘暴。火星大气层与地球大气层都有氮气、二氧化碳存在,这是火星与地球最大的相似之处。火星表面温度白天最高可达28℃,夜晚降低到-132℃,平均-57℃。虽然二氧化碳含量是地球的几倍,但因缺乏水汽,所以温室效应只有10℃,比地球的33℃低得多。火星大气的这些特征决定了深空探测器在火星进入阶段必须要经历比地球大气更稀薄、声速更低的大气环境,大气介质在飞行器高超声速进入中更易电离,电离后的高温气体将使探测器温度升高。

二氧化碳是火星大气的主要成分。冬天时,火星的极区进入永夜,低温使大气中多达25%的二氧化碳在极冠沉淀成干冰,到了夏季则再度升华至火星大气中。这个过程使得极区周围的气压与大气组成在一年之中变化很大。

和太阳系其他星球相比,火星大气有着较高比例的氩气。不像二氧化碳会沉淀,氩气的总含量是固定的,但因为大气中二氧化碳的浓度会在冬夏季发生变化,氩气在不同地点的相对含量也会随季节而改变。根据近期的卫星资料,南极区在秋季时氩气含量提高,到了春季则会降低。

火星大气变化很大。当夏季二氧化碳升华回大气时,留下微量的水汽。季节性、时速接近400公里的风吹过极区,带着大量的沙尘与水汽,其中水汽造就了霜与大片卷云。2008年,美国国家航空航天局“凤凰”号发现火星地下冰——当地大气中的水分在晚上时会消失,同时土壤的水分则会增加。

火星大气中含有十亿分之一级的微量甲烷,这由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的团队于2003年首次发现。甲烷的存在十分吸引人,它是不稳定的气体,必有某种来源。据估计,火星每年产生约270吨的甲烷,但由小行星带来的只占0.8%。虽然地质活动也可提供,但火星近期缺乏火山活动,甲烷来自热液活动、热点等的可能性较低。微生物(如甲烷古菌)也可能是其来源之一,但尚未证实。火星甲烷的分布不是全球性的,这表示它在充分分布均匀之前就已被破坏,不过这也指出它是被不时释放至大气中的。目前火星探测计划希望寻找可能的伴随气体,借以推测其甲烷的来源。因为,在地球海洋中,生物产的甲烷常伴随着乙烯,而火山作用产生的甲烷则伴随着二氧化硫。

2005年,有研究发现橄榄石与水、二氧化碳于高温高压下蛇纹岩化后可产生甲烷,过程与生物无关。在地表下几公里深即可满足反应的温压条件,且要维持目前甲烷浓度几十亿年,所需的橄榄石量并不多,增加了甲烷无机来源的可能。不过,如果要证实,就得发现此反应的另一产物蛇纹岩。

欧洲航天局发现甲烷的分布不均匀,但却和水汽的分布相当一致。在上层大气这两种气体分布均匀,但在地表却集中在三处:阿拉伯地、埃律西昂平原和阿卡迪亚平原。有科学家认为这种一致性增加了生物来源的可能。如果要证明甲烷的分布与生物有关,探测船或登陆艇需要携带质谱仪,分析火星上碳12与碳14的比例(即放射性碳定年法),便可辨别出是生物还是非生物源。

2013年,根据“好奇”号得到的进一步测量数据,美国国家航空航天局科学家报告,并没有侦测到大气甲烷存在迹象,测量值为0.18±0.67ppbv,对应于1.3ppbv上限(95%置信限),因此总结甲烷微生物活性概率很低,可能火星不存在生命。但是,很多微生物不会排出任何甲烷,仍旧可能在火星发现这些不会排出任何甲烷的微生物。

3.火星航天器都携带大气探测传感器

火星是太阳系中与地球最相似的行星,是最有可能存在生命和实现人类移民的星球。早在人类开始利用地基望远镜观测深空的时候,对火星的观测就开始了。随着航天科技的发展,人类开始使用航天探测卫星对火星进行详细探测,使系统性火星研究得以开展。

2012年,美国国家航空航天局的火星科学实验室进入舱成功进入火星大气层,并在火星表面盖尔环形山位置安全着陆,实现了人类首次对火星大气数据的近距离测量研究,其上就携带了嵌入式大气数据传感系统,即火星进入大气数据系统。

目前,火星研究使用的卫星探测数据主要来自美国和欧洲航天局的火星轨道探测器。火星大气和气候的研究是火星航天探测的主要目标之一,迄今发射的每一个火星航天探测器都携带有大气探测传感器用来研究火星大气的状态,分析火星气候乃至研究火星大气远古时候的状态,进而分析火星大气和气候长期演变的原因。

由于火星大气非常稀薄,密度只有地球的百分之一左右,其大气的主要成分为二氧化碳和氮气等,而且经常有沙尘暴。这种恶劣的气候条件,对大气数据测量系统的软件和硬件设计产生很大影响。由于探测器在进入火星大气层的飞行弹道马赫数高达30,而到达近地面时马赫数接近2。飞行速域宽,出现马赫数无关性和化学非平衡反应效应等物理现象对火星大气数据测量算法建模造成很大困难。

在此次“天问一号”的火星大气测量任务中,我们的科研团队针对火星探测器进入飞行弹道的高马赫数、化学非平衡效应和低动压等特点,提出了大气数据测量方法,并利用自主研发的航天计算流体力学软件平台(CACFD)的化学非平衡模型/完全气体模型计算,获得火星探测器宽速域飞行流场的表面压力点数据,建立了基于神经网络的火星进入大气数据系统(MEADS)算法模型。

4.大气逸散和水汽变化是未来研究重点

火星大气初期探测阶段主要目的是了解火星大气和气候的属性信息,确定火星大气是否适合生命的存在。二十世纪九十年代后多个火星探测器相继升空,获取了连续的火星航天观测数据,这一阶段火星大气探测的主要目的除了初期的目的之外,理解火星大气和气候的分布和变化规律,研究其演变历程也是主要目的。两个阶段中水汽都作为主要探测目标之一。

火星就像一个低温、干燥的荒漠式地球,具有明显的季节变化和年际重复性,但南北半球具有不对称性。火星数十亿年前曾经拥有大气层和液态水,曾经适合生命繁衍。但如今的火星却是一个冰冷的不毛之地,曾经浓厚的大气层现在却变得十分稀薄。科学家推测,火星可能经历过重大变化。

火星大气现状研究能为了解火星发展历程提供基础信息,这对解答火星上是否有生命存在和人类能否移民火星等问题非常重要。此外,研究火星大气和气候的演变过程可以更好地理解地球大气与气候变化,有助于预见地球气候变化带来的灾难性影响。

火星的大气层从几十亿年前就已经开始流失,逐渐从一个湿润、温暖的宜居星球变成了寒冷干燥的沙漠。迄今为止,科学家们已经知道了火星磁层,但还没弄清磁层如何影响着火星大气层,以及太阳风到底输送了多少能量从而导致大气逸散,这也是未来开展研究的重要方向。

大气温度是对大气状态的最基本的描述,也是热红外波谱反演大气参数和隔离行星地表热发射的起点。火星大气中常年悬浮着气溶胶,以沙尘和冷凝物两种形式出现,气溶胶会影响大气热结构和影响大气成分的时空分布,水汽含量在火星大气中虽然很少,但水汽是变化最显著的大气成分,水汽循环是火星气候研究的关键因素。

因此火星大气研究最初多集中在大气温度、气溶胶和水汽的空间分布和时空变化以及三者之间存在的相互影响关系上。随着火星航天探测数据的增多,针对火星大气中的痕量气体(甲烷、水汽和臭氧等)成分的含量与分布研究开始增加。水汽是火星上变化最大的痕量气体,它的分布尤其是垂直分布,通过光化学反应和它产生的云的辐射效应影响其他大气过程。因而火星大气中的水汽是火星大气研究中最惹人注目的存在,而且水汽本身是变化剧烈的微量气体,对于火星气候循环有重要作用,也是火星上是否存在生命的佐证。

尽管对火星水汽的观测已经进行了数十年,但对于火星水汽循环机制仍然知之甚少,来源具体在哪儿、空间分布的形成原因、水汽与气溶胶的耦合等也需要科学家们开展更多研究。

(作者单位为:中国航天空气动力技术研究院)


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