yy.vip易游-MAVEN号：揭秘火星从湿润走向荒芜 科学世界·星际征途

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　　行星大气调控行星表面温度，维持液态水的存在，决定了辐射环境、气候稳定性和生命化学环境，是调控宜居性的重要因素。因此，研究火星大气的逃逸机制和过程，是理解火星宜居性演化的重要一环，也是MAVEN号任务的主要职责。

　　本期星际征途，来自中国科学院地质与地球物理研究所的副研究员柴立晖和博士生郭梦丹解读MAVEN号任务。柴立晖从事类地行星太空环境的研究，入选中国科学技术协会青年人才托举工程和中国科学院青年创新促进会。郭梦丹专注于火星与太阳风的相互作用。

　　火星，作为当今人类探索最多的行星，人类对它的了解依然有限。火星的地表遍布古老的水流河道与湖泊遗迹，记载着这颗行星曾经温暖湿润的气候，暗示着地外生命的可能。然而，火星的命运似乎发生了一场巨变，如今的火星已是寒冷干燥的荒原。那些曾经流淌的河水与浓厚的大气，究竟去了何方？这种转变，会不会在未来重演于地球？让我们一起走近人类探测火星水的漫长旅程，追寻火星水和大气消失的谜题，了解MAVEN号火星探测器是如何搜寻火星气候变迁的线索的。

　　火星，因在夜空中闪烁暗红色星光而备受瞩目。在没有望远镜的时代，火星的椭圆轨道启示了开普勒第一定律的发现。17世纪望远镜的出现，让人类首次看到了火星的极冠区以及赤道暗区。到了19世纪，科学家观测到火星地表有众多“沟槽”，虽然大部分科学家认为这是望远镜分辨率造成的错觉，但依旧激发了人类对“火星生命开发运河”的想象，并引发“火星存在智慧生命”的热潮。20世纪中期，航天器的陆续到访打破了人们关于火星智慧生命的所有浪漫幻想，但也开启了人类长达半个世纪的追寻火星生命之水的科学探测之旅。

　　1965年，水手4号首次飞掠火星，利用掩星技术，发现火星大气主要由二氧化碳（CO2）组成，且非常稀薄，气温极低。这样的大气无法维持液态水的存在，也就很难维系生命的长存。

　　1971年，水手9号首次成功进入环绕火星的轨道，拍摄到了火星高清的地形地貌图，并在古老的地壳上发现了漫长蜿蜒的河谷和疑似洪水冲刷的平原，说明火星在早期的确存在过地表液态水。

　　1976年，海盗1号首次成功着陆火星，发现火星大气中的水汽含量非常低，并观测到了陨击坑内液态水冲蚀的痕迹，再次证实了火星早期存在丰富的液态水。

　　1997年，火星探路者号成为首辆巡视火星地表的火星车，并发现了一大片由表面光滑圆润的鹅卵石组成的砾岩，说明当地曾经经历过洪水的冲刷作用。

　　火星过去存在液态水和地外生命的可能，使火星迎来了连续20多年的探测热潮。1997年入轨的火星全球勘探者号拍摄到了湖泊沉积物和河流冲积扇等地质地貌特征，同时还发现火星没有地球那样的明显全球性磁场，但古老地壳上的大量局地岩石剩余磁场显示古代火星是有全球性磁场的。后续发射的一系列探测器，例如轨道环绕器火星奥德赛号、火星快车、火星勘测轨道飞行器，着陆器凤凰号，火星车机遇号、勇气号、好奇号、毅力号，以及我国的火星车祝融号等都观测到了火星曾经存在过水的证据。虽然已经确定火星曾经存在过大量液态水，但仍不清楚这些水是如何消失的。

　　19世纪天文学家手绘的望远镜观测到的火星（左）与现今哈勃空间望远镜观测到的火星（右）

　　入地：火星的光谱、雷达和地表直接观测等显示，在火星地表及以下疑似存在地下水和水冰层。

　　地下冰层：火星奥德赛号探测到火星中高纬地区地表之下可能存在水冰层。凤凰号着陆器在地表挖掘出了疑似水冰的物质。火星勘测轨道飞行器发现了在北极地区可能存在几十米厚的水冰层。

　　地下湖泊：火星快车探测到火星南极冰层之下可能存在一个约30千米宽的地下盐水湖。

　　水合矿物：机遇号火星车在子午线高原检测到了水合硫酸盐沉积物，说明这些岩石经历过水合作用。

　　火星全球勘探者号拍摄到的火星地表的三角洲地貌（左）和火星奥德赛号拍摄到的火星河谷网和陨击坑地貌（右）

　　上天：地球有水和海洋，可能是由于它有全球性磁场的保护。火星没有明显的全球性磁场，造成高速的太阳风直接轰击火星大气，从而剥蚀掉部分火星大气和水。火星空间直接观测显示，火星物质（H、O等）正在向太空逃逸；且火星大气同位素观测也显示，相比于地球，火星重水（DHO）多、轻水（H2O）少，说明火星过去有相当一部分水是从太空逃逸的。

　　带电粒子逃逸：由于火星没有全球性磁场的保护，高速太阳风会直接轰击火星高层大气，并通过磁场加速加热火星带电粒子（O+、O2+、H+、CO2+等），使火星大气带电粒子逃逸到太空。

　　中性粒子逃逸：由于火星重力弱，再加上太阳辐射的加热、太阳风转化的高速中性粒子（O、CO2、CO、N2等）的轰击，以及光化学加热等过程，都能使火星大气中性粒子逃逸到太空。

　　无全球性磁场的火星（左）和有强全球性磁场的地球（右）与太阳风相互作用的示意图

　　通过前期探测，科学家确认了火星过去拥有大量地表液态水，并寻找到了一些火星水“入地”变成地下水冰的可能性证据。然而，对于另一种去向，即“上天”逃逸到太空中的重要性，还没有进行过全面深入的探测。

　　因此，2008年，美国航天局（NASA）的“火星侦察兵”计划选定了MAVEN（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN，火星大气与挥发物演化任务）探测项目，其科学目标是探索太阳和太阳风与火星磁层（火星电离层外存在的一层以感应磁场为主导的区域）和高层大气的相互作用，探索火星高层大气和电离层的结构及其控制过程，确定火星大气的当前太空逃逸率，并测量能够将当前逃逸率外推到过去的物理特性，从而估算出火星历史以来逃逸到太空的大气总量。这些结果能让我们确定大气太空逃逸对火星气候演化的重要性，从而为火星宜居性历史提供重要的边界条件。

　　MAVEN于2013年11月18日搭乘宇宙神V型火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射，2014年9月22日成功进入火星轨道，开启了持续至今的探测火星大气太空逃逸的使命。

　　MAVEN号搭载了3组载荷套件、共8台科学仪器，分别用来观测火星的外部影响因素（太阳辐射、太阳风和行星际磁场等），火星和太阳风相互作用的等离子体过程（离子逃逸），以及火星中高层大气的中性过程（中性逃逸）。

　　●火星的外部影响因素：火星水和大气向上逃逸所需的能量主要来自太阳和太阳风。为此，需要了解太阳风离子（SWIA，太阳风离子分析仪）和太阳风电子（SWEA，太阳风电子分析仪）的速度、密度及能谱等特性，太阳风高能粒子（SEP，太阳风高能粒子探测仪）的通量等特性，行星际磁场（MAG，磁强计）的强度与方向，以及太阳极紫外辐射（EUV，极紫外辐射探测仪）的通量等参数。

　　● 火星的离子逃逸过程：火星离子逃逸主要有行星际拖曳磁场剥蚀造成的尾向离子出流、太阳风拾起粒子的直接逃逸及其沉降造成的溅射逃逸、岩石剩磁形成的极尖区离子出流、电离层的整体性逃逸等。通过探测火星的电离层（LPW，朗缪尔探针及波动探测仪）的强度和结构，感应磁层和岩石剩磁特性（MAG），以及逃逸离子（STATIC，超热和热离子组成分析仪）的成分、密度和速度等特征，再结合外部因素（SWIA，SWEA，IUVS，MAG），即可对火星等离子体过程进行分析，从而确定火星当前的离子逃逸率，并根据观测到的物理机制推测出火星过去几十亿年里的离子逃逸率和总逃逸量。

　　● 火星的中性逃逸过程：火星大气中性逃逸主要有金斯逃逸、光化学逃逸、溅射逃逸和中性冕（以氢、氧等中性原子扩展形成的火星高层大气结构）逃逸等。通过探测火星高层大气（NGIMS，中性气体和离子质谱仪）的成分、密度和同位素比值等特性，以及火星中性冕（IUVS，紫外成像光谱仪）的密度、高度和成分等特性，即可对火星大气中性逃逸过程进行分析，从而确定火星当前的中性大气逃逸率。

　　为了能够同时探测火星大气层中的离子逃逸和中性逃逸，MAVEN轨道被设计为近火点150千米、远火点6200千米的椭圆形轨道，轨道周期为4.5小时。这样的轨道使MAVEN能探测火星中高层大气、火星太空环境及周边太阳风情况。随着探测器轨道进动和火星自转，MAVEN的探测覆盖了火星全部地方时和大部分纬度，实现了对火星大气和太空环境的全球覆盖。

　　深层俯冲（Deep Dip）：为了探查大气逃逸的源头，科学家们总是希望探测器轨道尽可能低地深入到大气层内部，然而低高度飞行会让探测器承受过多的大气阻力，不仅损耗燃料还会对探测器本身造成伤害。为此，MAVEN增加了短时Deep Dip探测模式——其间MAVEN的近火点高度会从150千米下降到125千米。

　　迄今为止，MAVEN共进行了10余次Deep Dip探测，每次持续10天左右。在Deep Dip深入探测的这25千米里，火星大气密度急剧增加10倍以上，大气结构会从中高层大气过渡到均质层大气（大气充分混合），这是研究火星大气逃逸的关键层。因此，Deep Dip探测为建立火星大气逃逸的完整链条提供了宝贵数据。利用Deep Dip探测，科学家已经估算出了火星大气至少有65%逃逸到了太空中去，并首次通过轨道飞行器观测到了火星的热层※。

　　※ 地球大气层垂直结构大致可分为对流层、平流层、中间层、热层及散逸层。热层的大气密度很小，气温随高度增高而迅速上升。火星的热层与地球的热层类似。

　　左图中黄色的为常规轨道，蓝色的为Deep Dip轨道。右图显示了Deep Dip轨道高度在火星大气结构中的位置。

　　在过去这十余年时间里，MAVEN持续监测着火星上层大气与太阳风的相互作用，发回的大量数据证实了火星大气和水的太空逃逸量是非常巨大的，其对火星气候从温暖潮湿转变为干燥寒冷的作用是不可忽略的。

　　通过2015年3月太阳风暴期间的观测，MAVEN发现在风暴到达之前的平静期，火星离子逃逸率约每秒1.46×10^24个（连续40亿年，逃逸的量可相当于覆盖火星全球5厘米的海洋），而风暴到达后逃逸率急剧增加到了约每秒3.34×10^25个（连续40亿年，逃逸的量可相当于覆盖火星全球1米的海洋）。

　　考虑到火星失去大量水的30几亿年前，太阳风条件更接近于现在的太阳风暴，甚至更强，因此MAVEN的观测意味着早期火星水的逃逸量是巨大的，足以将火星气候从过去的潜在宜居转变为当今的干燥寒冷。

　　火星水的逃逸是一个长达几十亿年的过程，考虑到不同质量的大气同位素逃逸量不一样，其比值体现了这个历史过程的累积效果。氩（Ar）是一种惰性气体，几乎不会与火星大气中的其他成分发生反应，唯一可能移除氩的方式是“大气溅射”——即离子以极高速度撞击火星大气，将中性分子“溅射”到太空中。这种溅射逃逸更倾向于带走较轻的36Ar，留下较重的38Ar。

　　MAVEN 通过测量火星高层大气38Ar/36Ar随高度的变化，估算出了火星过去失去了大约65%的氩。如此重的氩都能被溅射逃逸到太空中，那么比它轻很多的氢（H）和氧（O）更容易被溅射带走。因此，可以推测大部分的火星大气是逃逸到了太空中去，这必然是火星气候从温暖潮湿到干燥寒冷巨变的原因之一。

　　在太阳风平静期间（左）和太阳风暴期间（右）火星离子的太空逃逸。（图片来源：NASA/GSFC）

　　除了在火星大气逃逸方面的突破性成果，MAVEN 还首次观测到了火星全球性质子极光，绘制了首张高层大气风场图，构建了火星大气中的电流体系，发现了火星磁尾因磁重联而产生的扭曲现象和全球性沙尘暴期间水的太空逃逸加速现象。这些成果不仅极大推进了我们对火星大气与气候演化的理解，也为探索火星过去的宜居性提供了关键线索。

　　MAVEN用十多年的探测，证明了火星大气和水的太空逃逸在火星气候和宜居性转变中扮演了关键角色。然而单颗卫星的探测方式，决定了MAVEN无法研究火星大气在空间上的动态变化。现实是火星空间每分每秒都在变化，且每次变化都会造成空间结构重组和大气逃逸增加，这种持续了几十亿年的动态变化累积效应是不可忽略的。因此，要勾勒出火星气候在过去几十年里的历史演化，还需要更细致全面的动态观测。

　　MAVEN完备的工具箱，将单颗卫星探测火星大气逃逸的能力发挥到了极致。自MAVEN之后，对火星大气逃逸的探测也必将进入双星或多星时代。事实上，MAVEN已经与我国的天问一号、欧洲空间局（ESA）的火星快车、阿联酋的祈望号等开展了简单的多星探测，取得了一些成果。

　　然而，针对火星水太空逃逸的多星联测，还需对应的载荷和轨道。目前，NASA和ESA都立项和筛选了“双星”探测火星大气逃逸的项目：

　　●NASA计划2025年底发射的ESCAPADE（Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）计划，是利用两颗“双胞胎”卫星联合探测火星的离子逃逸和加速过程。这两颗卫星携带相同的三种科学载荷（磁强计、静电分析仪、朗缪尔探针），同时在火星空间的不同位置进行测量，从而揭示上游太阳风变化是如何驱动火星离子逃逸的。

　　●ESA正在提议的M-MATISSE（Mars-Magnetosphere-ATmosphere-Ionsphere and Space-weather SciencE）计划，同样是利用“一内一外”两颗卫星联合探测火星的大气层、电离层、磁层和空间天气，预计2038年发射。这两颗卫星携带相同的六种科学载荷（磁场和等离子体探测套件、粒子探测组件、离子质量分析仪、联合掩星实验装备、极紫外和软X射线探测仪、极光和尘埃照相机）。这两颗卫星的远火点高度分别为3000千米和10000千米，即一个长期位于火星近空间内，另一个可远到太阳风中，通过“一内一外”双星同时观测，揭示火星内部空间对外部太阳风的动态响应。

　　关于火星水如何“上天”的探测，逐渐走向了多卫星联合探测的时代；而关于火星水有多少“入地”的探测，也引来了火星采样返回的探测机遇。我国的天问三号以及NASA联合ESA的火星采样返回（Mars Sample Return）任务，都计划将火星样品带回地球进行精密而细致的研究。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，希望这些火星探测计划和人类不屈的探索精神，能够揭秘火星水的去向，找到火星气候和宜居性巨变的原因，也为预测地球未来的宜居性提供线索。

　　火星探测是人类走出地月系统、迈向宇宙深处的一小步。我们漂泊在深邃无垠的宇宙中，唯有不屈无畏的探索精神在指引我们前行。

　　中国科学院地质与地球物理研究所副研究员，从事火星、金星和水星太空环境的研究，主要利用数值模拟和卫星观测分析太阳风与行星的相互作用。入选中国科学技术协会青年人才托举工程和中国科学院青年促进会。

　　中国科学院地质与地球物理研究所博士生，从事火星弓激波和火星磁层特性的研究，对行星科学怀有浓厚的兴趣。

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