天問：火星與人類的未來 | 袁嵐峯_風聞

導讀

　　我們胸懷的遠不只是個人與國家的得失，而是人類在宇宙中的命運。

　　2020年7月23日，中國的火星探測計劃“天問一號”正式啓程。對此，最容易想到的可能是國家榮譽，以及屈原《天問》代表的中華民族自古以來對宇宙的好奇與嚮往。這些當然都很好。不過，如果你對火星有更深入的瞭解，就會發現更多的有趣之處。

天問圖（http://www.16pic.com/zhuangshi/pic_1092240.html）

　　為什麼要去火星

　　一個基本的問題是：為什麼要去探測火星？

　　很奇妙，對此的基本回答居然是：因為火星比金星好。

　　讓我們來解釋一下。太陽系有八大行星，從內到外分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。也就是説，金星、地球、火星排在第2、3、4位。

八大行星

　　如果我們是太陽系以外的智慧生命，遠遠地發現了太陽系，那麼我們會問：這個恆星系裏有沒有智慧生命？如果有的話，最可能在哪兒？

　　單憑位置，我們就可以判斷個八九不離十：水星離太陽太近，一切都被烤焦了；木星以及更外圈的離太陽太遠，一切都被凍僵了。所以這些行星都不適合生命生存，更不用説智慧生命了。

　　最有可能的，就是離太陽距離適中的金星、地球、火星。用專業術語説，這三個處於太陽系的“宜居帶”上。

　　地球位於宜居帶的中間，當然是各方面條件最優的。金星和火星相比如何呢？這是個有趣的問題。

　　讓我們看一下基本指標。金星的質量是地球的82%，體積是地球的87%，重力是地球的90%，各方面都跟地球十分接近。而火星跟地球的差別就很大，它的質量是地球的11%，體積是地球的15%，重力是地球的38%。

地球和兩個鄰居的對比

　　所以如果把尋找地外生命比喻為相親節目，那麼在“一見鍾情”環節，我們對金星的第一印象比對火星好得多。正好金星的英文也是Venus，羅馬神話中的美神維納斯。

《維納斯的誕生》

　　人類在二十世紀五十年代掌握了航天技術後，確實立刻就將金星作為了探測目標。人類第一個接近其他行星的探測器，是1962年美國的水手2號，它的目標就是金星。

　　然而，人類探測維納斯的熱情，很快就消退了。歷史上總共有10個探測器在金星着陸，都來自蘇聯。但其中工作時間最長的只有127分鐘（金星13號），最短的只有23分鐘（金星7號）。

　　為什麼這麼短命呢？因為金星的生存條件實在是太惡劣了。

　　金星有一個極其濃密的大氣，它的壓強高達地球的92倍，相當於一個人揹着一輛50噸重的坦克。

　　更糟糕的是，這麼濃密的大氣中絕大部分是二氧化碳，超過96%。地球大氣中只有0.04%的二氧化碳，就造成了不小的温室效應，成為全世界關注的焦點問題。金星的二氧化碳濃度比地球高幾十萬倍，你説這温室效應得強到什麼程度？

　　由此導致，金星表面的平均温度超過460攝氏度，居然比離太陽最近的水星的向陽面還熱。一個開玩笑的説法是，在金星表面任何一個地方，生命跟燒烤之間只差一點孜然粉，甚至孜然粉也會被烤糊。

　　除此之外，金星的火山爆發很活躍，大氣中有很多火山噴出的硫化物，下雨下的是硫酸雨。大氣太稠密，把陽光擋了個嚴嚴實實。金星表面一片昏暗，只能偶爾看到硫酸雲霧裏的閃電雷暴和火山爆發的光亮。

　　這些條件都很惡劣，不過死豬不怕開水燙，總之金星對人類是個地獄般的環境。名字叫維納斯，其實比美杜莎還可怕。

美杜莎

　　現在，我們掉過頭來看火星。這位在“一見鍾情”環節被刷掉的選手，在“二見鍾情”環節卻成功復活。

　　火星有一個稀薄的大氣，密度不到地球的1%。如果一上來就看這個，你會感覺這很糟糕。但跟金星對比，你就會明白什麼叫做“如釋重負”了。畢竟，氣壓低你可以穿航天服，而氣壓太高你就只有被壓死了。

　　火星大氣的主要成分也是二氧化碳，佔95.3%，此外還有2.7%的氮氣和0.1%的氧氣。乍看起來火星的温室效應也應該很嚴重，不過由於總的氣壓太低，温室效應其實很弱。

　　火星表面的平均温度是-55攝氏度，而且波動範圍很大，可以上至30攝氏度，下至-100攝氏度以下。如果一上來就看這個，你也會感覺很糟糕。但跟金星的460攝氏度對比一下，你就會感覺好多了。至少，你的標準配置是航天服，而不是孜然粉！

　　火星非常有吸引力的一點，是上面有水。

　　人們最初用望遠鏡觀察火星的時候，看到很多紋路。許多人把它們理解為河道，甚至是火星人開掘的運河。十九世紀末、二十世紀初的時候，出現了很多描述火星上有智慧生命、以至於火星人入侵地球的文學藝術，當時這是主流思潮。

1884年法國天文學家弗拉馬利翁出版的火星地圖（《火星地圖“變形記”》）

　　但我們對火星瞭解得越多，就越認識到上面不太可能有智慧生命。實際上，截止目前我們沒有在火星上發現任何生命。火星歷史上應該有過活躍的地質運動與河流，但由於太陽風的吹拂以及小行星的撞擊等等，後來逐漸都消失了。火星是一顆正在衰亡的星球。

　　然而，火星現在還有大量的固態水，也就是冰。這是一個非常重要的發現，是近年來若干個探測器一再確認與深化的。火星上還有大量的固態二氧化碳，也就是乾冰。為了跟乾冰區別，文獻中往往把固態水稱為水冰。

NASA繪製的火星地下水冰分佈圖。冷色比暖色更接近地面；黑色指出飛船容易陷入細塵的區域；框中顯示的是挖掘水冰的最佳區域（https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-treasure-map-for-water-ice-on-mars）

　　在火星的南北極，就有巨大的水冰與乾冰混雜的冰蓋，水冰主要集中在底部。這對於我們移民火星，提供了非常寶貴的資源。再次跟金星對比一下，火星簡直就是天堂！

　　除此之外，在火星的地下很可能還有液態的滷水，即溶解了大量鹽分的水，甚至可能有巨大的液態滷水湖。這讓火星上存在生命的希望大增。

　　在地球的各種極端環境下，如火山口、深海、熱泉、鹽湖等等，都有不屈不撓的微生物生存着。它們的能量來源可以不是光合作用，而是各種因地制宜的辦法，如硫酸亞鐵氧化還原反應放出的化學能。對於這些小強來説，火星的環境遠不算最惡劣的。因此，在火星上發現生命是相當有可能的。

　　未來一段時間裏，掘地三尺尋找生命，就是火星探測的一個重點目標。如果真的找到了，那麼這將是人類第一次發現地外生命，帶來的衝擊是巨大的。

　　火星還有一點有利條件，是它跟太陽系的小行星帶十分接近。小行星帶有幾十萬顆小行星，以及數以億計的極小星體。它們的成分和構造千變萬化，不少擁有地球上極其稀缺的礦產資源。

小行星帶

　　所以，如果我們能在火星上建立基地，那麼就可望開展大規模的小行星採礦。一言不合就把一顆小行星拖到火星上，把它變成一個大型露天礦場。

　　這跟當前的技術相距並不遙遠。我有些朋友，如中國科學院國家空間科學中心的研究員李明濤和周炳紅等人，就在研究操縱小行星的技術。如果説從地球出發利用小行星的難度還非常大，那麼從火星出發的可行性就高得多了。

李明濤與周炳紅等人提出的“以石擊石”行星防禦任務概念示意圖（http://www.cas.ac.cn/syky/202005/t20200526_4747793.shtml）

　　由此可見，在火星上我們能發展的產業，除了種土豆之外，還有採礦業。這裏要解釋一下，電影《火星救援》裏種土豆的情節，其實是相當有道理的。土豆對土壤肥力的要求低，對水分的要求適中，產量大，週期短，確實很有可能在火星上長好。

《火星救援》

　　除了土豆之外，人們還在模擬火星土壤試驗不少植物的種植。所以將來的火星定居者，解決吃飯問題並不難，會有很多選擇。

　　不過，《火星救援》也不是所有的情節都符合科學。例如開頭的火星風暴，能把火箭都吹倒，就是一個不會出現的場景。

　　前面我們説了，火星大氣的密度不到地球的1%。所以雖然火星上的平均風速比地球高好幾倍，但風暴的破壞力遠不如地球。這就好比地球上的風速比水流的速度高得多，但狂風的破壞力遠小於洪水。

　　所以你如果要問，為什麼馬特·達蒙的同伴都跑了，把他撂在火星上？回答就是：導演安排的！

　　上面我們對火星生活做了許多暢想。不過這些暢想的前提是，我們在火星上建立了能支持大量人口的基地。而這個目標還遠得很，我們連一個人都還沒送上去過呢，不要説很多人。

　　但無論如何，在太陽系的其他行星上建立基地，火星肯定是第一選擇。從這裏出發探索更遠的深空，比其他任何行星都有利得多。水星、金星、木星等等紛紛表示：我沒意見！

　　如何去火星

　　下面，我們來介紹一下從地球怎麼到火星。

　　首先我們要問，地球離火星有多遠？

　　地球和火星都在圍繞太陽公轉，地球跑第三道，火星跑第四道。兩個軌道都是接近於圓的橢圓。地球軌道跟圓相當接近，半徑約為1.5億公里。火星軌道稍微扁一點，近日點和遠日點分別約為2.07和2.49億公里。

　　由此可見，地火距離最近是當太陽、地球、火星三者排成一線的時候，這叫做“火星衝日”，距離最小值在0.6億公里左右。地火距離最遠是當地球和火星分居太陽兩邊排成一線的時候，最大值在4億公里左右。

　　我們當然希望走的距離越短越好，所以下一個問題就是：什麼時候會出現火星衝日？

　　答案是：火星衝日是一個週期性的現象，大約每780天發生一次。

　　為什麼呢？從地球和火星的公轉週期就能算出這個數值。

　　地球的一年大約是365天，而火星的一年大約是687天。經過780天后，地球走過了780/365 = 2.14圈，火星走過了780/687 = 1.14圈。

地球和火星的軌道週期、會合週期示意圖

　　地球比火星剛好多走了一圈，用田徑運動的術語，就是火星被地球套圈了。所以如果出發時日地火連成一線，那麼到這裏它們又會連成一線。當然，這條線跟上次的線並不重合，轉過了0.14圈。

　　再下一個問題是：我們應該怎麼過去？直接飛向火星嗎？

　　影視裏的超人和汽車人、霸天虎等等，要去哪裏，都是把胳膊一抬，就徑直飛過去了。但學過牛頓力學，就知道這是不可能的。因為要受到引力的作用，你不可能走直線。

　　在太陽系裏，最大的引力源就是太陽。除了在每個行星附近之外，在絕大部分空間起主導作用的都是太陽的引力。因此，飛船從地球到火星的旅程，絕大部分是在太陽控制下的。如果我們在途中不開動力，那麼根據開普勒第一定律，飛船的軌跡就是一個以太陽為焦點的橢圓。

　　基於這些考慮，答案就呼之欲出了。我們走的是這樣一條軌道：它在離開地球的時候與地球繞太陽的軌道外切，這是近日點；在接近火星的時候與火星繞太陽的軌道內切，這是遠日點。在中間路程，它是一個以太陽為焦點的橢圓的一部分。

　　整個行程中，發動機只需要點火兩次，就是在起點和終點。這樣耗費的燃料最少，而且操作最為穩妥高效。

　　這樣的軌道，叫做“霍曼轉移軌道”。它是在1925年，由德國物理學家沃爾特·霍曼（Walter Hohmann）提出的。

霍曼轉移軌道

　　一條霍曼轉移軌道的路程長達6億公里左右，約為地火最近直線距離的十倍，需要飛行大約260天即約9個月。之所以要這麼久，是因為它相當於從地球無動力地漂到火星，對能量的需求最低。

　　如果你願意消耗更多的燃料，投入更大的成本，那你當然可以抄近路。這叫做“快速轉移軌道”。例如，美國2018年發射的洞察號依靠強大的火箭和最好的時間窗口，只走了4.8億公里，只用7個月就到達了火星。

洞察號軌跡（動圖）

　　不過，化學火箭的能力已經接近上限。因此，再怎麼投入也很難讓從地球到火星的時間突破6個月。但是新的推進技術正在發展中，例如離子電推進和核能推進。如果這些技術成熟，我們到火星的行程有望大大縮短。

　　有一點需要強調的是，不少科普文章説出發的時間就是地火距離最近的時間，這是一個常見的錯誤。我們希望的是總的行程最短，而不是直線距離最短。所以，實際情況是在火星衝日之前幾個月出發，之後幾個月到達。

　　由此決定了，每過780天即大約26個月，就會出現一個火星探測的窗口期。我的朋友、筆名“太空精釀”的著名科普作家毛新願博士，最近出版了一部著作《下一站火星》，在這裏向大家強烈推薦，本文的很多內容就來自他這本書。他給我畫了一幅圖，顯示出二十一世紀各個時間的地火距離與各個探測器飛行的時間段，就非常形象地表現出了這個780天的週期。

二十一世紀各年地火距離與探測任務

　　在2020年的窗口期中，終於出現了中國的火星探測項目：天問一號。其實天問是一個系列，包括火星探測、小行星探測、木星探測等，其中首次自主火星探測被命名為天問一號。

​　　中國與火星

　　此前，大部分成功的火星項目都來自美國。當年的蘇聯和後來的俄羅斯都嘗試過不少次，但大都以失敗告終。其中還有一次拖累了中國。

　　2011年，中國的火星探測器“螢火一號”參與俄羅斯的“福波斯-土壤號”探測計劃，搭乘俄羅斯的火箭升空。但由於來自宇宙的高能粒子突然增加，探測器芯片失效，無法變軌，最終在大氣中焚燬。

　　當時，中國沒有能把大型載荷送到火星任務的火箭，也沒有能達到火星的全天域深空通信網絡，只能搭俄羅斯的車。幾年之後，我們開發出了運力前所未有的長征五號火箭，它可以用於火星探測、月球探測、空間站發射等多種任務。同時，我們也開發出了深空通信網絡，例如在2019年嫦娥四號登陸月球背面的壯舉中就發揮了關鍵作用。2020年，這些新技術大展身手的時候到了！

嫦娥四號着陸在月球背面

　　中國在火星探測領域是一個後來者，不過起點可以説是相當的高。天問一號將一次執行“繞落巡”三項任務，也就是説，它的載荷包括三部分：環繞器（orbiter，也有人翻譯為軌道器），它可以環繞火星觀測和跟地球中繼通信；着陸器（lander），用來登陸火星；以及巡遊器（rover），也就是火星車。

天問一號藝術示意圖。這次任務將綜合使用軌道器和着陸器/巡視器來研究這顆紅色星球（《中國首次火星探測任務即將展開，先來聽聽首席科學家的“劇透”》）

　　其他國家的第一次火星任務，都是隻有環繞，或者連繞帶落，或者連環繞都沒有，只是飛掠，從來沒有一上來就做全套的。

　　實際上，繞落巡這三步中最困難的是落。目前只有美國成功實現過落，以及隨後的巡。其他國家嘗試過好幾次登陸火星，但都失敗了，後面的巡就更不用提了。瞭解了這一點，就更顯示出中國的跨度之大了。

　　中國選擇瞭如此激進的路線，説明我們對自己的技術相當有信心。這信心當然是有實踐基礎的，不是天上掉下來的。例如在月球上的嫦娥與玉兔組合的兩次成功，尤其是鵲橋號中繼通信衞星、嫦娥四號着陸器與玉兔二號月球車聯合實現了人類對月球背面的首次探索，都是令人振奮的成就。

在地月L2點暈軌道的月球中繼衞星與地球、月球的相對位置關係（http://k.sina.com.cn/article_6357519188_17af00b5402700kt6h.html）

　　還有一個原因，是大多數人沒有意識到的。這個原因就是，只有大踏步地前進，才能取得有價值的科學成果。

　　單純依靠繞和落能觀察到的現象，都已經觀察得差不多了。如果我們想認真做科研，就需要繞落巡全都上。尤其是火星車可以自由移動，可以探索別人沒去過的世界。所以真正有趣的問題是，我們要不要認真做科研呢？

天問一號着陸平台（右）和火星車（左）（《超酷！中國首輛火星車來了》）

　　一個戲劇性的例子，來自印度。可能許多人不知道，印度在一個航天領域是領先於中國的，——就是火星探測。2013年11月，印度發射了“曼加里安號”火星探測器。飛行了11個月後，它在2014年9月進入環繞火星的軌道。

曼加里安號火星探測器宣傳圖

　　雖然印度缺乏深空通信網絡，這次任務的深空通信是由NASA支持的，不過火箭是印度自己生產的極軌衞星運載火箭（Polar Satellite Launch Vehicle，簡稱PSLV），這就很值得讚揚。憑藉這項成就，印度成為了第一個也是唯一的一個首次探測火星就完全成功的國家，在這方面比中美俄歐日都強！

　　不過，這裏的關鍵在於“完全成功”。有些國家或地區的首次任務，雖然只是部分成功，取得的科學成果卻比印度多得多，例如歐洲的“火星快車”。

　　所以印度的“完全成功”是在目標很低前提下的成功，基本上只有刷自豪感的價值。正如我在評論2019年9月7日印度的“月船二號”落月失敗時説的（印度落月失敗：從“畫扇面”到“小目標” | 袁嵐峯）：只要你的目標夠小，總是可以實現的！

“月船二號”軌道示意圖

　　有了這些背景，才能理解中國面臨的問題：我們要不要認真做科研？

　　中國火星探測首席科學家萬衞星院士，2020年5月20日因癌症去世，享年僅62歲。出師未捷身先死，長使英雄淚滿襟。他在2019年的一篇文章（萬衞星院士遺作：從深空探測大國邁向行星科學強國 | 中國科學院院刊），明確地回答了這個問題。

萬衞星

　　歷史上，美蘇都投入了巨大的資源進行太空探索。蘇聯起步還早一些，初期具有技術優勢。不過美國後來居上，超過了蘇聯。一個重要的原因就是，美國意識到，太空事業的發展要以科學來引領。

　　例如，1957年，蘇聯的人造衞星記錄到了地球上空上萬公里處的輻射帶，但認為是儀器問題。幾個月後，美國的人造衞星也發現了這個輻射帶。這成了一個偉大的發現，被命名為範艾倫輻射帶，範艾倫（James Alfred Van Allen，1914 - 2006）是美國物理學家和早期衞星的研製者。

範艾倫輻射帶

　　讓我們引一段萬衞星的原文：

　　“如果説第一次熱潮的主題是探測競賽，比的是誰先跑得最快，那麼第二次熱潮的主題應是科學競賽，比的是誰先看得最深。人們已經不滿足於到行星表面看一看，而是看向時間的深處——研究行星的演化歷史，看向空間的深處——研究行星的內部結構，看向人類的深處——研究生命起源和尋找地外生命。”

　　2020年7月13日的《自然·天文學》，刊登了萬衞星的訃告以及他介紹天問一號的文章（中國首次火星探測任務即將展開，先來聽聽首席科學家的“劇透”）：

　　“‘天問一號’將在第一次嘗試中就進行環繞、着陸和釋放巡視器，並與軌道器協調觀測。從來沒有任何行星任務是以這種方式開展的。如果成功，將標誌着一次重大的技術突破。從科學上講，‘天問一號’是對火星形態、地質學、礦物學、空間環境、土壤和水冰分佈等進行研究的最全面的任務。”

　　不少次火星探測器的着陸地點，都被命名為某位科學家的紀念碑。如果天問一號取得成功，那麼我們希望它的着陸地點被命名為萬衞星紀念碑。

　　我們應該清醒地看到，我們是火星的後來者。即使一次性實現繞落巡，趕上了美蘇幾十年的歷程，但這也是美國在二十多年前就做到了的。

　　同時我們也應該看到，人類對火星的探索剛剛開始，更不用説改造了，我們的面前有廣闊的空間。只要我們持續奮鬥，我們取得的成就將超出所有人的預料。

　　最重要的是，我們胸懷的遠不只是個人與國家的得失，而是人類在宇宙中的命運。