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关于火星的一些有趣问题
来源:地科院   作者:柴立晖  审核:  编辑:向发全  日期:2021-06-08  访问:

题目:关于火星的一些有趣问题

主讲:柴立晖(中国科学院地质与地球物理研究所、地球与行星物理院重点实验室副研究员)

时间:2021年5月30日

地点:线上腾讯会议

主办天然气地质四川省重点实验室、地球科学与技术学院、科研处

主持:王浩铮

整理:刘丰威

感谢各位老师、同学参与这次讲座。我本人从本科到现在一直做的都是空间物理专业。火星实际上是一个非常有趣的星球,我尽量用浅显易懂的语言讲给大家,如果有什么不足之处也请各位多包涵。

我自己是做火星空间环境的,所以对火星有一些了解。我想让大家知道天问一号探测火星可以做什么事情,后续还可以做哪些。这是非常有意义的工作,天问一号可以帮我们更好地认识火星。

先介绍一下对火星探测的历史。我们对太阳系中的八个行星每一个基本上都观测过。火星探测一直都是比较火热,因为探索早期人们对火星认识得还不够清楚,所以失败非常多,下图左边的小叉叉都是发射失败的。


火星探测始于上世纪60年代,那是冷战时期,美苏争霸,所以不惜代价,花了很多钱。早期的火星探测都是单次的,比如美国的水手号,它们都是飞越火星,印度也老吹他们做得比我们好,因为之前他们就有一个火星探测器。但实际上真正的难度是落下去。苏联从1971年开始到1973年,二号、三号、四号、五号、六号火星探测器,就一个一个去扔,但是基本上都是失败的。我们都说着陆,你只要扔下去就是着陆,摔坏了叫硬着陆,你要轻轻落下去才算成功。苏联的火星二号扔下去就直接失败了,火星三号下去后,苏联说我着陆成功了,但它好像只发回了半张照片或者没有发回照片。美国人说你这就是硬着陆,是失败,他们要争谁是第一嘛。当时美国还没有准备好,还没有着陆呢。1975年美国的火星探测器发回一张照片,到现在,他们都说他们是第一个着陆成功的,不承认苏联是第一个。如果按照美国的思路,我们中国就是第二个。天问一号着陆成功是非常重要的,它一下就把中国从航天大国推到第二位,原来中国是排在美国、苏联、欧洲、日本后面的,日本测小行星已经测了很多了。

为什么火星着陆这么难呢?首先来看月球,它本身体积比较小,所以它的引力就比较小,着陆时不会摔得那么狠。而火星比月球大,引力就更大,同时火星的大气层又很稀薄,所以同样的降落伞,提供的浮力就小多了,这也是为什么在火星着陆如此困难。美国是有秘诀的,他不会告诉他的欧洲盟友,他有很多方式都能成功,所以中国着陆成功,就把美国的秘诀给破了。

这是我在网上找的一些照片。5月19号祝融号发回了两张照片,这是非常重要的,你要是不发回,人家就不承认。


因为我是做科学的,不是做工程的,所以就讲一些科学的问题。天问一号这些名字,都起得特别好。“天问”是中国行星探测任务名称,该名称源于屈原的长诗《天问》,表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着,体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承,寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境。

“祝融”是天问一号着陆巡视器搭载的火星车名。祝融是中国上古神话中的火神。火的应用促进了人类文明的发展,驱散黑暗带来温暖。祝融号寓意点燃中国星际探测的火种,指引航天人不断超越自我,逐梦星辰。

接下来我会讲一些火星上的有趣问题,火星的基本参数如下:

半径=3389公里

质量=11%地球

1日=1.03地球日

1年=687地球日

火日距离:1.52AU(1.382-1.666)

平均轨道速度:24km/s

逃逸速度:5.03km/s

卫星:Phobos、Deimos (~10km)

我们知道地球的半径是6000多公里,而火星的半径是3000多公里,所以火星的半径要比地球小一半,同时火星的质量只有地球的十分之一,火星的一天大概也是24小时。但是它绕着太阳公转一圈需要600多天,所以就相当于两个地球年。火星离太阳的距离是1.52AU,这个AU是天文单位,指的是太阳到地球的距离,所以我们容易知道火星是在地球的后面。我们可以看到它最近离太阳是1.3AU,最远1.6AU,这就说明火星的公转轨道比较扁,而我们的地球的公转轨道实际上是比较圆的。同地球一样,火星上也有月亮,不同的是地球上有一个,而火星上有两个月亮,一个叫Phobos一个叫Deimos。

下面介绍火星上几个比较有趣的问题。

一、火星为什么这么小?

人类最早研究火星的方法不是发射卫星,而是拿望远镜去研究,拿望远镜就会大概看到火星。整个太阳系中,离太阳由近而远依次是水星、金星、地球、火星,火星与木星之间有个小行星带,再往远处就是木星、土星、天王星、海王星。

可以看出来,实际上类地行星是比较小的,在这几个较小的行星里面,金星比水星要大一点,地球又比金星大一点,按此规律火星应该比地球大一点,可是火星就是格外的小,实际上这一直是一个非常让人困惑的一大谜题。

如果单位面积、质量差不多的情况下,一个恒星要把轨道上一圈的物质都吸积起来,那么绕着这一圈的直径越大,吸引到的质量就越多。所以一般来说越远的星球的质量越大。按这个道理来说,火星应该比地球要大的些,至少跟地球应该差不多。但是火星的半径是地球的二分之一,那么它的体积只有地球的八分之一。而类地行星的密度都差不多,所以可以估算出火星的质量也就只有地球的八分之一左右。那其他的质量去哪儿了?按道理它不应该这么小的啊?


所以诞生了各种猜想,比如早期有人猜想火星其实不是在现在这个位置形成的,它是很靠内的,然后又跑出去了,所以它的质量比较小。2011年有人提出了一个新的假说,行星的大迁徙假说,现在接受这个假说的人也越来越多。该假说认为我们现在看到的行星的位置并不是他们最开始的位置,太阳系中木星最早形成,那时候地球还没有形成,木星很早形成之后就开始往里面走,后来在恰当的时候形成了土星,土星形成后又将它周围的物质清空,清空之后木星和土星一起向外跑,慢慢地就形成了现在的位置,在它们向外跑的过程中,水星、金星、地球和火星就形成了。简单地说,就是木星偷偷跑过来,跑过来之后把火星的质量抢了再跑回去,于是弄得我们的火星的质量如此的小。

二、火星南北半球为什么如此不同?

火星的南半球和北半球非常不一样,北半球普遍比较低,南半球普遍比较高,所以一般叫北方低地和南方高地。可以看到北半球很光滑,而南半球上面坑坑洼洼的,我们可以把北半球比喻成婴儿的皮肤,而南半球就是一个历尽沧桑的老人的皮肤,所以其实我们看星球也是可以看它的皮肤的,如果比较光滑,就说明这一块地区是比较年轻的,相反的,如果上面坑坑洼洼的,就说明这块地区确实比较老的。那为什么火星的北半球那么年轻平滑,而它的南半球那么年老沧桑呢?这要如何解释?

到现在为止最受欢迎的就是大撞击理论。火星直径3000多公里,它被一个直径1000多公里的小行星撞了,撞击位置比较靠近北半球,使得北半球海拔比较低,同时上面的陨石坑,磁场等都被撞击抹掉了。北半球就相当于做了一个拉皮手术,将北半球弄得很光滑,这就是大撞击理论。大撞击理论可以比较好地解释为什么整个火星的北半球比较低洼,为什么整个北半球的陨石坑基本上都被抹掉了。

但是不同的人总有不同的看法。比如说,还有一些人就觉得火星的北半球实际上就是火星的古代的海洋。可以想象我们的地球,如果把地球的水抽干了,你就会发现地球的南半球肯定是海拔要低一点,因为它在海平面以下,而相应的北半球海拔就高一点。所以就有人觉得火星和地球差不多,这不是火星独有的特点。如果有海洋的同时又有陨石的撞击,那一定会形成一个大海啸,是不是能在边缘找到海啸的冲击沉积物,这些我们都可以做进一步的科研、探测,然后去研究这些问题。

还有第三种假说,它是由板块活动、地质活动造成的。火星上有非常类似地球上的岩石剩磁条状分布,但是实际上地球上的条带比较窄,相比而言火星上的太宽了,而且它是卫星在400公里的高度测量,并不是在火星表面测的,而且地磁条带的需要定年。因此火星上是否有板块运动还有待研究。除此之外,火星上还有一个高度为21公里的火山,你想我们的喜马拉雅山才多高,不到九公里。所以有人就觉得它是一个超级地幔柱形成的大火山。而这个火山是否是活着,火星内部是否是活的,就可以用火星地震来研究。这也是Insight火星探测器的探测目标之一。

三、火星过去是否宜居?

大家可能都听过,有人说我们地球人可能是火星来的呀。为什么会有这些传言,或者说有这些想法,他肯定是看到了什么。我下面就讲讲他大概看到了什么。这些照片都是美国的卫星拍摄的非常高清的火星表面照片,我们用肉眼就去看这个东西是什么,能看到这是水流的痕迹,要形成这么大片的河谷网,至少得有流水吧,而且这个水要持续存在,在火星上要形成这么大型的河谷网,大概需要几百万年。还可以看到火星上的三角洲,长江的三角洲都是类似这样的,要形成这么大一个三角洲,需要至少十年的沉积。还能看到火星上很光滑的鹅卵石,这也能证明火星上曾经是有流动的水。火星上曾经有河流,有湖泊,有三角洲,有鹅卵石,于是有人就会猜想火星是不是有生命呢?

现在观测到火星的大气只有地球的百分之一,这个大气层就有点像被子,它是一个保温层,火星的被子这么薄,要怎么去保持流动的水?既然是流动的水,那火星气温必须要在零度以上,但是怎么算火星的温度都没有办法达到零度以上。

还有一个问题就是火星是1.5AU,接收到的阳光太少了。除此之外,雪上加霜的是,我们所看到的岩层是非常古老的岩层,早到那时候太阳刚刚形成,那时太阳比现在弱30%。那也就是说在早期的火星,盖的被子又薄,距离火源还远,同时火源还比现在弱,如此情况下,怎么可能形成液态水呢?于是有人提出液态水的存在无法长时间持续几亿年,而更可能是间歇性短暂地出现了几百万年。

要知道38亿年前地球上的生命是单细胞的原核生物,到二十几亿年前首次出现了真核生物,这中间整整进化十几亿年才进化出一个真核细胞。真核单细胞生物后来进化出多细胞生物,多细胞的生物再进化出智慧生命,所以说火星上有火星人吗?应该是比较难的。有可能曾经存在细菌一类的低等生物,但是要说有智慧生命实在是比较难,因为智慧生命的进化是需要长时间保持一个比较好的条件才可以。所以如果火星有过宜居环境也只是短暂性的、间歇性的,没有出现长久的宜居条件。

四、什么导致了火星的全球性气候变化?

这个问题实际上是由上一个问题引出的,我们观察到火星上曾经存在水,不管它存在过多久,它是有过水的。但是现在火星地表温度平均是零下六十多度,同时火星表面现在也没存有存在湖泊或者河流。那么就有个问题,火星过去有短暂的湿润气候,而现在又干又冷,是什么导致了这个变化?会不会我们的地球就在未来有一天也像火星一样变得干冷,到时候怎么办?所以这个问题最好搞清楚火星发生了什么问题,是什么原因导致了火星的全球性的气候变化。

火星上的这些水跑到哪里去了,其实就只有两种可能,要么上天,要么入地。如果真的是从太空跑掉,那水就真的彻底丢失了,以后也不会有水了。当然还有一些人认为它没有上天,是钻到地下,变成了地下水。

关于火星水是否从太空逃逸,对此我们可以去测同位素来研究。因为我们的整个太阳系都是一起形成的,初始的材料都是一样的,所以火星上面的同位素的比例和地球应该都是差不多的。但是我们对比火星大气同位素后发现,火星大气层的重同位素比重大于地球,这是由火星大气层顶质量分异部分较轻的粒子大量逃逸到太空造成的。火星应该在38亿年左右之前水突然减少,高速的太阳风粒子将火星上的水变成氢和氧离子相互作用。水蒸气经过太阳光照后变成氢离子和氧离子,他们一旦带电,就可以和太阳风相互作用,于是从高速的太阳风那里获得能量,火星上的水就可以跑掉了。地球没有出现这个情况得益于全球性地磁场对太阳风粒子的阻碍作用,使这些高能粒子很难到达地球。

五、从火星认识行星宜居和生命演化

我们可以从研究火星来认识行星的宜居性和生命的演化。为什么这么说呢?因为我们的太阳系中太阳只有100亿年的寿命,100亿年之后,它就燃烧完了,而现在已经过了50亿年了,所以我们最长最长只有50亿年的时间去找宜居的星球,50亿年之后太阳会熄灭,那个时候地球会被太阳吞噬,地球肯定不能住人,所以要赶紧去找到下一颗可以居住的行星。像《流浪地球》带着地球跑也行,把人带着跑也行,必须要在50亿年之内找到下一个行星,我们研究的一个问题就是要找宜居带。原本地球和火星都在宜居带上,但是现在观测火星并不宜居,说明我们对宜居带的认识还不够清楚。



整个太阳系的演化,从最早期的大迁移理论到尼斯理论。通过对火星的研究实际上我们也可以对太阳系有一个很好的认识。但是目前我们对整个太阳系的认识还是很不清楚,例如我们提出的很多都是猜想,目前也没有直接数据可以证明这些猜想或者理论,这也是我们要接着去做的一个东西。

从我本人研究的行星空间环境的角度来说,如果我们把火星测量研究清楚了,我们就可以知道土卫六、彗星上的空间磁场长什么样。用火星不仅能认识我们的地球,还能认识其他的很多行星。我只做了天问一号中的一小部分,每一个研究项目后面还有一大堆的科学家,有很多人都在等着我们天问一号的数据回来,使我们对火星的认识也可以更进一步。

非常感谢大家能听到现在,希望以后还能与大家分享火星研究的新进展,大家再见。(根据录音整理并经本人审阅)