題目：關(guān)于火星的一些有趣問(wèn)題
主講：柴立暉（中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員）
時(shí)間：2021年5月30日
地點(diǎn)：線(xiàn)上騰訊會(huì)議
主辦：天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、科研處
主持：王浩錚
整理：劉豐威
感謝各位老師、同學(xué)參與這次講座。我本人從本科到現(xiàn)在一直做的都是空間物理專(zhuān)業(yè)。火星實(shí)際上是一個(gè)非常有趣的星球，我盡量用淺顯易懂的語(yǔ)言講給大家，如果有什么不足之處也請(qǐng)各位多包涵。
我自己是做火星空間環(huán)境的，所以對(duì)火星有一些了解。我想讓大家知道天問(wèn)一號(hào)探測(cè)火星可以做什么事情，后續(xù)還可以做哪些。這是非常有意義的工作，天問(wèn)一號(hào)可以幫我們更好地認(rèn)識(shí)火星。
先介紹一下對(duì)火星探測(cè)的歷史。我們對(duì)太陽(yáng)系中的八個(gè)行星每一個(gè)基本上都觀(guān)測(cè)過(guò)?；鹦翘綔y(cè)一直都是比較火熱，因?yàn)樘剿髟缙谌藗儗?duì)火星認(rèn)識(shí)得還不夠清楚，所以失敗非常多,下圖左邊的小叉叉都是發(fā)射失敗的。
火星探測(cè)始于上世紀(jì)60年代，那是冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇爭(zhēng)霸，所以不惜代價(jià)，花了很多錢(qián)。早期的火星探測(cè)都是單次的，比如美國(guó)的水手號(hào)，它們都是飛越火星，印度也老吹他們做得比我們好，因?yàn)橹八麄兙陀幸粋€(gè)火星探測(cè)器。但實(shí)際上真正的難度是落下去。蘇聯(lián)從1971年開(kāi)始到1973年，二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)、五號(hào)、六號(hào)火星探測(cè)器，就一個(gè)一個(gè)去扔，但是基本上都是失敗的。我們都說(shuō)著陸，你只要扔下去就是著陸，摔壞了叫硬著陸，你要輕輕落下去才算成功。蘇聯(lián)的火星二號(hào)扔下去就直接失敗了，火星三號(hào)下去后，蘇聯(lián)說(shuō)我著陸成功了，但它好像只發(fā)回了半張照片或者沒(méi)有發(fā)回照片。美國(guó)人說(shuō)你這就是硬著陸，是失敗，他們要爭(zhēng)誰(shuí)是第一嘛。當(dāng)時(shí)美國(guó)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，還沒(méi)有著陸呢。1975年美國(guó)的火星探測(cè)器發(fā)回一張照片，到現(xiàn)在，他們都說(shuō)他們是第一個(gè)著陸成功的，不承認(rèn)蘇聯(lián)是第一個(gè)。如果按照美國(guó)的思路，我們中國(guó)就是第二個(gè)。天問(wèn)一號(hào)著陸成功是非常重要的，它一下就把中國(guó)從航天大國(guó)推到第二位，原來(lái)中國(guó)是排在美國(guó)、蘇聯(lián)、歐洲、日本后面的，日本測(cè)小行星已經(jīng)測(cè)了很多了。
為什么火星著陸這么難呢？首先來(lái)看月球，它本身體積比較小，所以它的引力就比較小，著陸時(shí)不會(huì)摔得那么狠。而火星比月球大，引力就更大，同時(shí)火星的大氣層又很稀薄，所以同樣的降落傘，提供的浮力就小多了，這也是為什么在火星著陸如此困難。美國(guó)是有秘訣的，他不會(huì)告訴他的歐洲盟友，他有很多方式都能成功，所以中國(guó)著陸成功，就把美國(guó)的秘訣給破了。
這是我在網(wǎng)上找的一些照片。5月19號(hào)祝融號(hào)發(fā)回了兩張照片，這是非常重要的，你要是不發(fā)回，人家就不承認(rèn)。
因?yàn)槲沂亲隹茖W(xué)的，不是做工程的，所以就講一些科學(xué)的問(wèn)題。天問(wèn)一號(hào)這些名字，都起得特別好。“天問(wèn)”是中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)名稱(chēng)，該名稱(chēng)源于屈原的長(zhǎng)詩(shī)《天問(wèn)》，表達(dá)了中華民族對(duì)真理追求的堅(jiān)韌與執(zhí)著，體現(xiàn)了對(duì)自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技創(chuàng)新永無(wú)止境。
“祝融”是天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器搭載的火星車(chē)名。祝融是中國(guó)上古神話(huà)中的火神。火的應(yīng)用促進(jìn)了人類(lèi)文明的發(fā)展，驅(qū)散黑暗帶來(lái)溫暖。祝融號(hào)寓意點(diǎn)燃中國(guó)星際探測(cè)的火種，指引航天人不斷超越自我，逐夢(mèng)星辰。
接下來(lái)我會(huì)講一些火星上的有趣問(wèn)題，火星的基本參數(shù)如下：
半徑=3389公里
質(zhì)量=11%地球
1日=1.03地球日
1年=687地球日
火日距離：1.52AU(1.382-1.666)
平均軌道速度：24km/s
逃逸速度：5.03km/s
衛(wèi)星：Phobos、Deimos (~10km)
我們知道地球的半徑是6000多公里，而火星的半徑是3000多公里，所以火星的半徑要比地球小一半，同時(shí)火星的質(zhì)量只有地球的十分之一，火星的一天大概也是24小時(shí)。但是它繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈需要600多天，所以就相當(dāng)于兩個(gè)地球年?；鹦请x太陽(yáng)的距離是1.52AU，這個(gè)AU是天文單位，指的是太陽(yáng)到地球的距離，所以我們?nèi)菀字阑鹦鞘窃诘厍虻暮竺?。我們可以看到它最近離太陽(yáng)是1.3AU，最遠(yuǎn)1.6AU，這就說(shuō)明火星的公轉(zhuǎn)軌道比較扁，而我們的地球的公轉(zhuǎn)軌道實(shí)際上是比較圓的。同地球一樣，火星上也有月亮，不同的是地球上有一個(gè)，而火星上有兩個(gè)月亮，一個(gè)叫Phobos一個(gè)叫Deimos。
下面介紹火星上幾個(gè)比較有趣的問(wèn)題。
一、火星為什么這么小?
人類(lèi)最早研究火星的方法不是發(fā)射衛(wèi)星，而是拿望遠(yuǎn)鏡去研究，拿望遠(yuǎn)鏡就會(huì)大概看到火星。整個(gè)太陽(yáng)系中，離太陽(yáng)由近而遠(yuǎn)依次是水星、金星、地球、火星，火星與木星之間有個(gè)小行星帶，再往遠(yuǎn)處就是木星、土星、天王星、海王星。
可以看出來(lái)，實(shí)際上類(lèi)地行星是比較小的，在這幾個(gè)較小的行星里面，金星比水星要大一點(diǎn)，地球又比金星大一點(diǎn)，按此規(guī)律火星應(yīng)該比地球大一點(diǎn)，可是火星就是格外的小，實(shí)際上這一直是一個(gè)非常讓人困惑的一大謎題。
如果單位面積、質(zhì)量差不多的情況下，一個(gè)恒星要把軌道上一圈的物質(zhì)都吸積起來(lái)，那么繞著這一圈的直徑越大，吸引到的質(zhì)量就越多。所以一般來(lái)說(shuō)越遠(yuǎn)的星球的質(zhì)量越大。按這個(gè)道理來(lái)說(shuō)，火星應(yīng)該比地球要大的些，至少跟地球應(yīng)該差不多。但是火星的半徑是地球的二分之一，那么它的體積只有地球的八分之一。而類(lèi)地行星的密度都差不多，所以可以估算出火星的質(zhì)量也就只有地球的八分之一左右。那其他的質(zhì)量去哪兒了？按道理它不應(yīng)該這么小的?。?/span>
所以誕生了各種猜想，比如早期有人猜想火星其實(shí)不是在現(xiàn)在這個(gè)位置形成的，它是很靠?jī)?nèi)的，然后又跑出去了，所以它的質(zhì)量比較小。2011年有人提出了一個(gè)新的假說(shuō)，行星的大遷徙假說(shuō)，現(xiàn)在接受這個(gè)假說(shuō)的人也越來(lái)越多。該假說(shuō)認(rèn)為我們現(xiàn)在看到的行星的位置并不是他們最開(kāi)始的位置，太陽(yáng)系中木星最早形成，那時(shí)候地球還沒(méi)有形成，木星很早形成之后就開(kāi)始往里面走，后來(lái)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候形成了土星，土星形成后又將它周?chē)奈镔|(zhì)清空，清空之后木星和土星一起向外跑，慢慢地就形成了現(xiàn)在的位置，在它們向外跑的過(guò)程中，水星、金星、地球和火星就形成了。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是木星偷偷跑過(guò)來(lái)，跑過(guò)來(lái)之后把火星的質(zhì)量搶了再跑回去，于是弄得我們的火星的質(zhì)量如此的小。
二、火星南北半球?yàn)槭裁慈绱瞬煌?/span>
火星的南半球和北半球非常不一樣，北半球普遍比較低，南半球普遍比較高，所以一般叫北方低地和南方高地?？梢钥吹奖卑肭蚝芄饣习肭蛏厦婵涌油萃莸?，我們可以把北半球比喻成嬰兒的皮膚，而南半球就是一個(gè)歷盡滄桑的老人的皮膚，所以其實(shí)我們看星球也是可以看它的皮膚的，如果比較光滑，就說(shuō)明這一塊地區(qū)是比較年輕的，相反的，如果上面坑坑洼洼的，就說(shuō)明這塊地區(qū)確實(shí)比較老的。那為什么火星的北半球那么年輕平滑，而它的南半球那么年老滄桑呢？這要如何解釋?zhuān)?/span>
到現(xiàn)在為止最受歡迎的就是大撞擊理論?；鹦侵睆?000多公里，它被一個(gè)直徑1000多公里的小行星撞了，撞擊位置比較靠近北半球，使得北半球海拔比較低，同時(shí)上面的隕石坑，磁場(chǎng)等都被撞擊抹掉了。北半球就相當(dāng)于做了一個(gè)拉皮手術(shù)，將北半球弄得很光滑，這就是大撞擊理論。大撞擊理論可以比較好地解釋為什么整個(gè)火星的北半球比較低洼，為什么整個(gè)北半球的隕石坑基本上都被抹掉了。
但是不同的人總有不同的看法。比如說(shuō)，還有一些人就覺(jué)得火星的北半球?qū)嶋H上就是火星的古代的海洋?？梢韵胂笪覀兊牡厍?，如果把地球的水抽干了，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)地球的南半球肯定是海拔要低一點(diǎn)，因?yàn)樗诤Ｆ矫嬉韵?，而相?yīng)的北半球海拔就高一點(diǎn)。所以就有人覺(jué)得火星和地球差不多，這不是火星獨(dú)有的特點(diǎn)。如果有海洋的同時(shí)又有隕石的撞擊，那一定會(huì)形成一個(gè)大海嘯，是不是能在邊緣找到海嘯的沖擊沉積物，這些我們都可以做進(jìn)一步的科研、探測(cè)，然后去研究這些問(wèn)題。
還有第三種假說(shuō)，它是由板塊活動(dòng)、地質(zhì)活動(dòng)造成的?；鹦巧嫌蟹浅ｎ?lèi)似地球上的巖石剩磁條狀分布，但是實(shí)際上地球上的條帶比較窄，相比而言火星上的太寬了，而且它是衛(wèi)星在400公里的高度測(cè)量，并不是在火星表面測(cè)的，而且地磁條帶的需要定年。因此火星上是否有板塊運(yùn)動(dòng)還有待研究。除此之外，火星上還有一個(gè)高度為21公里的火山，你想我們的喜馬拉雅山才多高，不到九公里。所以有人就覺(jué)得它是一個(gè)超級(jí)地幔柱形成的大火山。而這個(gè)火山是否是活著，火星內(nèi)部是否是活的，就可以用火星地震來(lái)研究。這也是Insight火星探測(cè)器的探測(cè)目標(biāo)之一。
三、火星過(guò)去是否宜居？
大家可能都聽(tīng)過(guò)，有人說(shuō)我們地球人可能是火星來(lái)的呀。為什么會(huì)有這些傳言，或者說(shuō)有這些想法，他肯定是看到了什么。我下面就講講他大概看到了什么。這些照片都是美國(guó)的衛(wèi)星拍攝的非常高清的火星表面照片，我們用肉眼就去看這個(gè)東西是什么，能看到這是水流的痕跡，要形成這么大片的河谷網(wǎng)，至少得有流水吧，而且這個(gè)水要持續(xù)存在，在火星上要形成這么大型的河谷網(wǎng)，大概需要幾百萬(wàn)年。還可以看到火星上的三角洲，長(zhǎng)江的三角洲都是類(lèi)似這樣的，要形成這么大一個(gè)三角洲，需要至少十年的沉積。還能看到火星上很光滑的鵝卵石，這也能證明火星上曾經(jīng)是有流動(dòng)的水?；鹦巧显?jīng)有河流，有湖泊，有三角洲，有鵝卵石，于是有人就會(huì)猜想火星是不是有生命呢？
現(xiàn)在觀(guān)測(cè)到火星的大氣只有地球的百分之一，這個(gè)大氣層就有點(diǎn)像被子，它是一個(gè)保溫層，火星的被子這么薄，要怎么去保持流動(dòng)的水？既然是流動(dòng)的水，那火星氣溫必須要在零度以上，但是怎么算火星的溫度都沒(méi)有辦法達(dá)到零度以上。
還有一個(gè)問(wèn)題就是火星是1.5AU，接收到的陽(yáng)光太少了。除此之外，雪上加霜的是，我們所看到的巖層是非常古老的巖層，早到那時(shí)候太陽(yáng)剛剛形成，那時(shí)太陽(yáng)比現(xiàn)在弱30%。那也就是說(shuō)在早期的火星，蓋的被子又薄，距離火源還遠(yuǎn)，同時(shí)火源還比現(xiàn)在弱，如此情況下，怎么可能形成液態(tài)水呢？于是有人提出液態(tài)水的存在無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)幾億年，而更可能是間歇性短暫地出現(xiàn)了幾百萬(wàn)年。
要知道38億年前地球上的生命是單細(xì)胞的原核生物，到二十幾億年前首次出現(xiàn)了真核生物，這中間整整進(jìn)化十幾億年才進(jìn)化出一個(gè)真核細(xì)胞。真核單細(xì)胞生物后來(lái)進(jìn)化出多細(xì)胞生物，多細(xì)胞的生物再進(jìn)化出智慧生命，所以說(shuō)火星上有火星人嗎？應(yīng)該是比較難的。有可能曾經(jīng)存在細(xì)菌一類(lèi)的低等生物，但是要說(shuō)有智慧生命實(shí)在是比較難，因?yàn)橹腔凵倪M(jìn)化是需要長(zhǎng)時(shí)間保持一個(gè)比較好的條件才可以。所以如果火星有過(guò)宜居環(huán)境也只是短暫性的、間歇性的，沒(méi)有出現(xiàn)長(zhǎng)久的宜居條件。
四、什么導(dǎo)致了火星的全球性氣候變化？
這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是由上一個(gè)問(wèn)題引出的，我們觀(guān)察到火星上曾經(jīng)存在水，不管它存在過(guò)多久，它是有過(guò)水的。但是現(xiàn)在火星地表溫度平均是零下六十多度，同時(shí)火星表面現(xiàn)在也沒(méi)存有存在湖泊或者河流。那么就有個(gè)問(wèn)題，火星過(guò)去有短暫的濕潤(rùn)氣候，而現(xiàn)在又干又冷，是什么導(dǎo)致了這個(gè)變化？會(huì)不會(huì)我們的地球就在未來(lái)有一天也像火星一樣變得干冷，到時(shí)候怎么辦？所以這個(gè)問(wèn)題最好搞清楚火星發(fā)生了什么問(wèn)題，是什么原因?qū)е铝嘶鹦堑娜蛐缘臍夂蜃兓?/span>
火星上的這些水跑到哪里去了，其實(shí)就只有兩種可能，要么上天，要么入地。如果真的是從太空跑掉，那水就真的徹底丟失了，以后也不會(huì)有水了。當(dāng)然還有一些人認(rèn)為它沒(méi)有上天，是鉆到地下，變成了地下水。
關(guān)于火星水是否從太空逃逸，對(duì)此我們可以去測(cè)同位素來(lái)研究。因?yàn)槲覀兊恼麄€(gè)太陽(yáng)系都是一起形成的，初始的材料都是一樣的，所以火星上面的同位素的比例和地球應(yīng)該都是差不多的。但是我們對(duì)比火星大氣同位素后發(fā)現(xiàn)，火星大氣層的重同位素比重大于地球，這是由火星大氣層頂質(zhì)量分異部分較輕的粒子大量逃逸到太空造成的?；鹦菓?yīng)該在38億年左右之前水突然減少，高速的太陽(yáng)風(fēng)粒子將火星上的水變成氫和氧離子相互作用。水蒸氣經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光照后變成氫離子和氧離子，他們一旦帶電，就可以和太陽(yáng)風(fēng)相互作用，于是從高速的太陽(yáng)風(fēng)那里獲得能量，火星上的水就可以跑掉了。地球沒(méi)有出現(xiàn)這個(gè)情況得益于全球性地磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)粒子的阻礙作用，使這些高能粒子很難到達(dá)地球。
五、從火星認(rèn)識(shí)行星宜居和生命演化
我們可以從研究火星來(lái)認(rèn)識(shí)行星的宜居性和生命的演化。為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)槲覀兊奶?yáng)系中太陽(yáng)只有100億年的壽命，100億年之后，它就燃燒完了，而現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)了50億年了，所以我們最長(zhǎng)最長(zhǎng)只有50億年的時(shí)間去找宜居的星球，50億年之后太陽(yáng)會(huì)熄滅，那個(gè)時(shí)候地球會(huì)被太陽(yáng)吞噬，地球肯定不能住人，所以要趕緊去找到下一顆可以居住的行星。像《流浪地球》帶著地球跑也行，把人帶著跑也行，必須要在50億年之內(nèi)找到下一個(gè)行星，我們研究的一個(gè)問(wèn)題就是要找宜居帶。原本地球和火星都在宜居帶上，但是現(xiàn)在觀(guān)測(cè)火星并不宜居，說(shuō)明我們對(duì)宜居帶的認(rèn)識(shí)還不夠清楚。
整個(gè)太陽(yáng)系的演化，從最早期的大遷移理論到尼斯理論。通過(guò)對(duì)火星的研究實(shí)際上我們也可以對(duì)太陽(yáng)系有一個(gè)很好的認(rèn)識(shí)。但是目前我們對(duì)整個(gè)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)還是很不清楚，例如我們提出的很多都是猜想，目前也沒(méi)有直接數(shù)據(jù)可以證明這些猜想或者理論，這也是我們要接著去做的一個(gè)東西。
從我本人研究的行星空間環(huán)境的角度來(lái)說(shuō)，如果我們把火星測(cè)量研究清楚了，我們就可以知道土衛(wèi)六、彗星上的空間磁場(chǎng)長(zhǎng)什么樣。用火星不僅能認(rèn)識(shí)我們的地球，還能認(rèn)識(shí)其他的很多行星。我只做了天問(wèn)一號(hào)中的一小部分，每一個(gè)研究項(xiàng)目后面還有一大堆的科學(xué)家，有很多人都在等著我們天問(wèn)一號(hào)的數(shù)據(jù)回來(lái)，使我們對(duì)火星的認(rèn)識(shí)也可以更進(jìn)一步。
非常感謝大家能聽(tīng)到現(xiàn)在，希望以后還能與大家分享火星研究的新進(jìn)展，大家再見(jiàn)。（根據(jù)錄音整理并經(jīng)本人審閱）