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在火星模拟基地 来一场探测器的拉练

来源:科技日报2019-05-09 10:16

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  近日,美国国家航空航天局(NASA)宣布,“洞察”号火星登陆器首次探测到源自火星内部的微弱震动信号,其很可能源于火星地震。该消息一出,即引发全球围观。

  而此前不久,大约100名少年在荒无人烟的大漠中完成了长达5小时的“太空之旅”,这一次别开生面的旅行实际上发生在中国甘肃的一个火星模拟基地。

  火星探测、火星模拟,有关这颗猩红色星球的消息一次又一次撩拨地球人的神经。太阳坐拥八大行星,为何火星最让人魂牵梦萦?

  与地球最为相似的行星

  火星,与罗马神话中的战神玛尔斯(Mars)同名,是太阳系中体积仅次于水星的行星。由于火星表面存在氧化铁,它的外观呈现出火烈鸟一般的红色。

  从位置上看,火星与太阳的距离约为1.52个天文单位(1天文单位约为1.5亿公里)。由于离太阳较远,其表面接收的太阳光比较弱,是地球表面的43%。

  “火星表面积约等于地球大陆的面积,其半径约为地球半径的一半,质量约为地球质量的十分之一。从整体密度上看,地球的整体密度为5.5克/米3,火星的整体密度为3.9克/米3。”中国地质大学(武汉)行星科学研究所副教授肖智勇接受科技日报记者采访时说。

  尽管存在诸多差异,蔚蓝色的地球和猩红色的火星依然被视作最相似的行星。

  首先,这两颗行星都有一个金属构成的内核。火星的核心部分主要由铁和镍组成,核心周围是硅酸盐地幔。除硅和氧外,火星地壳中最丰富的元素是铁、镁、铝、钙和钾等。

  其次,火星的季节变换也与地球最为近似。“二者的自转周期及旋转轴相对于黄道面的倾斜非常接近。”肖智勇说,火星公转的周期大约是地球的两倍,一个火星日和一个地球日时长差不多。但是一个火星年大约是两个地球年,火星的季节长度大约为地球的两倍。

  和地球一样,火星也有火山活动。火星上的奥林帕斯山是太阳系内最大的火山,直径达到600多公里,高25公里。与其他行星相比,火星表面存在众多陨石坑,让人联想到月球的撞击坑以及地球上的山谷、沙漠和极地冰盖。根据这些陨石坑,可以判断火星表面各区域形成的时间。“火星表面有很多30亿年前的撞击坑,遍地都是。而目前,地球上发现的最古老的陨石坑是22亿年前的。”肖智勇说。

  全球性沙尘暴不算罕见

  当然,更让人类惊喜的是火星上曾有大量液态水。火星表面有一条长约4000公里、最深处达7公里的水手峡谷,是太阳系内最深的峡谷。肖智勇告诉科技日报记者,有证据表明,火星在诺亚纪时期(约41.8亿年前—36亿年前)有很强的流水作用,在火星表面可以看到湖泊、洪流和辫状河流的痕迹。也就是说,如果当时在火星上种土豆,至少不用担心水源问题。

  然而火星的模样早已不复当年。南京大学地球科学与工程学院教授惠鹤九接受科技日报记者采访时说,随着火星磁场的消失,导致太阳风吹跑了火星的一些大气,部分水也跟着“丢了”。火星现在十分干燥,容易出现沙尘暴。“火星上的沙尘暴能以160公里/小时的速度移动,而且易演化成全球性沙尘暴事件。”

  2018年,“机遇”号就是因为在火星上遭遇了全球性沙尘暴,导致太阳能板被遮挡住,进入低电量休眠状态,至今仍未苏醒。2019年2月13日,由于无法跟探测器取得联系,NASA正式宣布服役15年的“机遇”号结束使命。

  为什么火星上容易发生沙尘暴呢?惠鹤九表示,火星地面有很多沙尘,这是形成沙尘暴的物质基础。“火星上的沙尘是由岩石风化而来的。”肖智勇说。

  另外,火星大气活动较活跃。“这是沙尘暴形成的动力基础,也是沙尘暴能够长距离输送的动力保证。”肖智勇解释道,火星大气变稀薄,因而表面容易升温也容易散温。火星表面最低温度可低至零下100℃以下,最高温则可达30℃以上。这种巨大的温差,造成了空气的不稳定。

  移居火星仍存众多难题

  太阳系坐拥八大行星,人类为何对火星更痴迷?

  “人类总希望给自己找一个伙伴吧,寻找地外生命是重要原因。”惠鹤九告诉科技日报记者,火星早期气候较宜居,所以科学家们推断火星可能存在生命。

  在火星的诺亚纪时期,有大范围的水体改造活动,表明火星当时可能温暖湿润,具备孕育生命的基本条件。从人类探测火星的阶段性目标也可以看出这一点。“最先我们探测火星是为了找水,后来是考察它的宜居性,包括温度、气候等。”惠鹤九说,无论水还是宜居性,都与生命有关。

  移居火星是人类的远大梦想,也注定了荆棘丛生。第一个挑战就是如何把人安全送往火星并安全返回。“目前,人类发射火星探测器只有50%的成功率,现阶段没有哪个国家有把握将人安全送上火星并返回。”惠鹤九直言。此外,从地球到火星需要花150—300天,这是一段相当漫长、黑暗的孤独之旅。

  到达火星后如何生存,也是一道难以迈过的坎。“怎么适应火星的气温?你在火星上是蹦还是跳?如何转化能量实现自给自足?火星上只有微弱的剩磁,太阳粒子毫无忌惮地打到火星表面,人怎么防护?和地球之间的通讯有延迟怎么办?火星基地的内部是1个标准大气压,外部却是0.1个大气压,对基础设施的稳定和可靠性要求极高。”肖智勇说,我们能想到的任何一点在火星上都是困难。

  模拟火星环境寻找答案

  为了提前对付这些难题,科学家想出了各种模拟火星环境的方法。

  直接选择地球上的某个区域模拟火星环境是其中之一。比如在南极、北极圈、冰岛,或在美国的莫哈维沙漠、南美洲的阿塔卡玛沙漠模拟火星等。肖智勇告诉记者,中国的柴达木盆地也很适合火星模拟。“柴达木盆地纬度高、温差大、紫外线强,到处都是盐湖,大气稀薄、表面干燥,且土壤偏碱性,环境与火星十分相似。”

  还有一种是在实验室中进行火星模拟,比如位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室(JPL)和位于英国赫特福德郡的火星任务模拟场。这种模拟通常有较明确的科学目的。肖智勇介绍,如果要模拟火星上的沙丘移动,就需要在地球上建一个风洞实验室。在风洞中要尽量呈现火星表面的环境,如昼夜温差、大气含量和成分、物质组成、风速等。还有人模拟火星上的物质反应,这就需要假设发生反应的物质成分,反应时的温度以及反应时间长短等。

  专家表示,模拟火星环境有多方面的意义。从工程上讲,我们能在模拟火星环境中测试探测器样机的性能,如车轮、爬坡能力等。还可以测试科学载荷的性能,以及宇航员在极端环境中的身体和心理变化等。“国际空间站的航天员一般只在太空待半年左右,往返火星所需的时间比这长多了,对航天员的心理和生理都是非常大的考验,身体也会因为长时间的深空辐射受影响。”惠鹤九说。

  研究火星表面的地质演化也是如此。“目前我们只能看到物质演化后的结果,由于这种演化和当时的环境是一种耦合关系。要揭示它就需要在实验中模拟。”肖智勇说。代小佩

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