作者：陳廣強(qiáng)、豆國輝、王貴東

　　火星距離地球較近，是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國際行星探測的重點(diǎn)目標(biāo)，是除月球外人類探索最多的地外天體?；鹦谴髿鈹?shù)據(jù)測量能夠建立和完善火星大氣模型，而所有的火星航空器，例如氣球、直升機(jī)、撲翼機(jī)和固定翼飛機(jī)等，必須參考火星大氣測量數(shù)據(jù)進(jìn)行開發(fā)和研制，才能確保其工作性能。這對未來開展火星探測研究、載人登陸和開發(fā)火星資源具有重要的意義。

　　　1.火星大氣數(shù)據(jù)測量是火星探測的首要任務(wù)

　　在太陽系中，火星環(huán)境與地球最為相似，可能保存著太陽系生命起源和行星演化中，災(zāi)難性變化的最好記錄，對研究地球起源與演化具有非常重要的比較意義，是探尋地外生命、探索生命起源與演化等重大科學(xué)問題最有價(jià)值的目標(biāo)之一?；鹦蔷嚯x地球較近，也是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國際行星探測的重點(diǎn)目標(biāo)，是除月球外人類探索最多的地外天體。

　　火星大氣數(shù)據(jù)測量是火星探測的首要任務(wù)，對了解探測器來流參數(shù)、大氣環(huán)境和探索火星塵暴具有重要的意義。這種測量可以獲取火星大氣靜壓、密度和風(fēng)速等參數(shù)，建立和完善火星大氣模型，為下一步火星表面常規(guī)航空飛行器，如氣球、直升機(jī)、撲翼機(jī)和固定翼飛機(jī)等開展探測提供技術(shù)支撐。

　　這是因?yàn)?，所有的火星航空器必須參考火星大氣測量數(shù)據(jù)進(jìn)行開發(fā)和研制才能確保其工作性能。因此，火星大氣數(shù)據(jù)測量對未來探測火星、載人登陸和資源開發(fā)具有重要的意義。

　　“天問一號”是我國首次探測火星的飛行任務(wù)，在國際上首次通過一次飛行任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”的三步跨越，是我國航天事業(yè)發(fā)展又一具有里程碑意義的進(jìn)展。

　　此次“天問一號”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了中國火星探測零的突破，也是國內(nèi)首次搭載火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)（MEADS），獲取了一手火星探測大氣科學(xué)數(shù)據(jù)。這使國內(nèi)行星科學(xué)大氣探測研究取得顯著進(jìn)步，成功開啟了中國行星大氣探測的新征程?！疤靻栆惶枴比蝿?wù)的實(shí)施，構(gòu)建了中國獨(dú)立自主的行星大氣探測基礎(chǔ)工程體系。

　　目前，利用“天問一號”火星探測器搭載的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，我國已成功獲取了沿探測器飛行彈道海拔60千米以下的大氣靜壓、密度、風(fēng)速、總壓、馬赫數(shù)、攻角和側(cè)滑角等珍貴數(shù)據(jù)，完善和修正了現(xiàn)有的火星大氣數(shù)據(jù)模型，成為繼美國之后，世界第二個(gè)近距離測量火星大氣的國家。

　　　2.火星大氣受環(huán)境影響非常多變

　　我國此次“天問一號”的火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其測量結(jié)果與歐洲航天局提供的火星大氣模型偏差較大，特別是在20千米高度以下，靜壓偏差達(dá)到120Pa，相對誤差接近100%。

　　這種情況此前也曾出現(xiàn)過——美國“機(jī)智”號火星直升機(jī)，多次出現(xiàn)由于靜壓降低，在地面無法正常起飛的現(xiàn)象?？梢酝茢啵鹦谴髿忪o壓受到環(huán)境影響變化很大。這是對火星大氣探測的新進(jìn)展。

　　此前，世界其他國家也多次開展了火星探測，在火星大氣探測方面，也取得了很多進(jìn)展?？茖W(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，火星大氣非常稀薄，密度只有地球的1%左右，表面大氣壓500Pa~700Pa。

　　火星大氣的主要成分為二氧化碳和氮?dú)獾龋医?jīng)常有沙塵暴?；鹦谴髿鈱优c地球大氣層都有氮?dú)?、二氧化碳存在，這是火星與地球最大的相似之處?；鹦潜砻鏈囟劝滋熳罡呖蛇_(dá)28℃，夜晚降低到-132℃，平均-57℃。雖然二氧化碳含量是地球的幾倍，但因缺乏水汽，所以溫室效應(yīng)只有10℃，比地球的33℃低得多?；鹦谴髿獾倪@些特征決定了深空探測器在火星進(jìn)入階段必須要經(jīng)歷比地球大氣更稀薄、聲速更低的大氣環(huán)境，大氣介質(zhì)在飛行器高超聲速進(jìn)入中更易電離，電離后的高溫氣體將使探測器溫度升高。

　　二氧化碳是火星大氣的主要成分。冬天時(shí)，火星的極區(qū)進(jìn)入永夜，低溫使大氣中多達(dá)25%的二氧化碳在極冠沉淀成干冰，到了夏季則再度升華至火星大氣中。這個(gè)過程使得極區(qū)周圍的氣壓與大氣組成在一年之中變化很大。

　　和太陽系其他星球相比，火星大氣有著較高比例的氬氣。不像二氧化碳會沉淀，氬氣的總含量是固定的，但因?yàn)榇髿庵卸趸嫉臐舛葧诙募景l(fā)生變化，氬氣在不同地點(diǎn)的相對含量也會隨季節(jié)而改變。根據(jù)近期的衛(wèi)星資料，南極區(qū)在秋季時(shí)氬氣含量提高，到了春季則會降低。

　　火星大氣變化很大。當(dāng)夏季二氧化碳升華回大氣時(shí)，留下微量的水汽。季節(jié)性、時(shí)速接近400公里的風(fēng)吹過極區(qū)，帶著大量的沙塵與水汽，其中水汽造就了霜與大片卷云。2008年，美國國家航空航天局“鳳凰”號發(fā)現(xiàn)火星地下冰——當(dāng)?shù)卮髿庵械乃衷谕砩蠒r(shí)會消失，同時(shí)土壤的水分則會增加。

　　火星大氣中含有十億分之一級的微量甲烷，這由美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的團(tuán)隊(duì)于2003年首次發(fā)現(xiàn)。甲烷的存在十分吸引人，它是不穩(wěn)定的氣體，必有某種來源。據(jù)估計(jì)，火星每年產(chǎn)生約270噸的甲烷，但由小行星帶來的只占0.8%。雖然地質(zhì)活動也可提供，但火星近期缺乏火山活動，甲烷來自熱液活動、熱點(diǎn)等的可能性較低。微生物（如甲烷古菌）也可能是其來源之一，但尚未證實(shí)?；鹦羌淄榈姆植疾皇侨蛐缘?，這表示它在充分分布均勻之前就已被破壞，不過這也指出它是被不時(shí)釋放至大氣中的。目前火星探測計(jì)劃希望尋找可能的伴隨氣體，借以推測其甲烷的來源。因?yàn)?，在地球海洋中，生物產(chǎn)的甲烷常伴隨著乙烯，而火山作用產(chǎn)生的甲烷則伴隨著二氧化硫。

　　2005年，有研究發(fā)現(xiàn)橄欖石與水、二氧化碳于高溫高壓下蛇紋巖化后可產(chǎn)生甲烷，過程與生物無關(guān)。在地表下幾公里深即可滿足反應(yīng)的溫壓條件，且要維持目前甲烷濃度幾十億年，所需的橄欖石量并不多，增加了甲烷無機(jī)來源的可能。不過，如果要證實(shí)，就得發(fā)現(xiàn)此反應(yīng)的另一產(chǎn)物蛇紋巖。

　　歐洲航天局發(fā)現(xiàn)甲烷的分布不均勻，但卻和水汽的分布相當(dāng)一致。在上層大氣這兩種氣體分布均勻，但在地表卻集中在三處：阿拉伯地、埃律西昂平原和阿卡迪亞平原。有科學(xué)家認(rèn)為這種一致性增加了生物來源的可能。如果要證明甲烷的分布與生物有關(guān)，探測船或登陸艇需要攜帶質(zhì)譜儀，分析火星上碳12與碳14的比例（即放射性碳定年法），便可辨別出是生物還是非生物源。

　　2013年，根據(jù)“好奇”號得到的進(jìn)一步測量數(shù)據(jù)，美國國家航空航天局科學(xué)家報(bào)告，并沒有偵測到大氣甲烷存在跡象，測量值為0.18±0.67ppbv，對應(yīng)于1.3ppbv上限（95%置信限），因此總結(jié)甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不會排出任何甲烷，仍舊可能在火星發(fā)現(xiàn)這些不會排出任何甲烷的微生物。

　　　3.火星航天器都攜帶大氣探測傳感器

　　火星是太陽系中與地球最相似的行星，是最有可能存在生命和實(shí)現(xiàn)人類移民的星球。早在人類開始利用地基望遠(yuǎn)鏡觀測深空的時(shí)候，對火星的觀測就開始了。隨著航天科技的發(fā)展，人類開始使用航天探測衛(wèi)星對火星進(jìn)行詳細(xì)探測，使系統(tǒng)性火星研究得以開展。

　　2012年，美國國家航空航天局的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入艙成功進(jìn)入火星大氣層，并在火星表面蓋爾環(huán)形山位置安全著陸，實(shí)現(xiàn)了人類首次對火星大氣數(shù)據(jù)的近距離測量研究，其上就攜帶了嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)，即火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

　　目前，火星研究使用的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)主要來自美國和歐洲航天局的火星軌道探測器?；鹦谴髿夂蜌夂虻难芯渴腔鹦呛教焯綔y的主要目標(biāo)之一，迄今發(fā)射的每一個(gè)火星航天探測器都攜帶有大氣探測傳感器用來研究火星大氣的狀態(tài)，分析火星氣候乃至研究火星大氣遠(yuǎn)古時(shí)候的狀態(tài)，進(jìn)而分析火星大氣和氣候長期演變的原因。

　　由于火星大氣非常稀薄，密度只有地球的百分之一左右，其大氣的主要成分為二氧化碳和氮?dú)獾龋医?jīng)常有沙塵暴。這種惡劣的氣候條件，對大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大影響。由于探測器在進(jìn)入火星大氣層的飛行彈道馬赫數(shù)高達(dá)30，而到達(dá)近地面時(shí)馬赫數(shù)接近2。飛行速域?qū)?，出現(xiàn)馬赫數(shù)無關(guān)性和化學(xué)非平衡反應(yīng)效應(yīng)等物理現(xiàn)象對火星大氣數(shù)據(jù)測量算法建模造成很大困難。

　　在此次“天問一號”的火星大氣測量任務(wù)中，我們的科研團(tuán)隊(duì)針對火星探測器進(jìn)入飛行彈道的高馬赫數(shù)、化學(xué)非平衡效應(yīng)和低動壓等特點(diǎn)，提出了大氣數(shù)據(jù)測量方法，并利用自主研發(fā)的航天計(jì)算流體力學(xué)軟件平臺（CACFD）的化學(xué)非平衡模型/完全氣體模型計(jì)算，獲得火星探測器寬速域飛行流場的表面壓力點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火星進(jìn)入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MEADS）算法模型。

　　　4.大氣逸散和水汽變化是未來研究重點(diǎn)

　　火星大氣初期探測階段主要目的是了解火星大氣和氣候的屬性信息，確定火星大氣是否適合生命的存在。二十世紀(jì)九十年代后多個(gè)火星探測器相繼升空，獲取了連續(xù)的火星航天觀測數(shù)據(jù)，這一階段火星大氣探測的主要目的除了初期的目的之外，理解火星大氣和氣候的分布和變化規(guī)律，研究其演變歷程也是主要目的。兩個(gè)階段中水汽都作為主要探測目標(biāo)之一。

　　火星就像一個(gè)低溫、干燥的荒漠式地球，具有明顯的季節(jié)變化和年際重復(fù)性，但南北半球具有不對稱性。火星數(shù)十億年前曾經(jīng)擁有大氣層和液態(tài)水，曾經(jīng)適合生命繁衍。但如今的火星卻是一個(gè)冰冷的不毛之地，曾經(jīng)濃厚的大氣層現(xiàn)在卻變得十分稀薄?？茖W(xué)家推測，火星可能經(jīng)歷過重大變化。

　　火星大氣現(xiàn)狀研究能為了解火星發(fā)展歷程提供基礎(chǔ)信息，這對解答火星上是否有生命存在和人類能否移民火星等問題非常重要。此外，研究火星大氣和氣候的演變過程可以更好地理解地球大氣與氣候變化，有助于預(yù)見地球氣候變化帶來的災(zāi)難性影響。

　　火星的大氣層從幾十億年前就已經(jīng)開始流失，逐漸從一個(gè)濕潤、溫暖的宜居星球變成了寒冷干燥的沙漠。迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)知道了火星磁層，但還沒弄清磁層如何影響著火星大氣層，以及太陽風(fēng)到底輸送了多少能量從而導(dǎo)致大氣逸散，這也是未來開展研究的重要方向。

　　大氣溫度是對大氣狀態(tài)的最基本的描述，也是熱紅外波譜反演大氣參數(shù)和隔離行星地表熱發(fā)射的起點(diǎn)。火星大氣中常年懸浮著氣溶膠，以沙塵和冷凝物兩種形式出現(xiàn)，氣溶膠會影響大氣熱結(jié)構(gòu)和影響大氣成分的時(shí)空分布，水汽含量在火星大氣中雖然很少，但水汽是變化最顯著的大氣成分，水汽循環(huán)是火星氣候研究的關(guān)鍵因素。

　　因此火星大氣研究最初多集中在大氣溫度、氣溶膠和水汽的空間分布和時(shí)空變化以及三者之間存在的相互影響關(guān)系上。隨著火星航天探測數(shù)據(jù)的增多，針對火星大氣中的痕量氣體(甲烷、水汽和臭氧等)成分的含量與分布研究開始增加。水汽是火星上變化最大的痕量氣體，它的分布尤其是垂直分布，通過光化學(xué)反應(yīng)和它產(chǎn)生的云的輻射效應(yīng)影響其他大氣過程。因而火星大氣中的水汽是火星大氣研究中最惹人注目的存在，而且水汽本身是變化劇烈的微量氣體，對于火星氣候循環(huán)有重要作用，也是火星上是否存在生命的佐證。

　　盡管對火星水汽的觀測已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年，但對于火星水汽循環(huán)機(jī)制仍然知之甚少，來源具體在哪兒、空間分布的形成原因、水汽與氣溶膠的耦合等也需要科學(xué)家們開展更多研究。

　　（劉周、李國良、劉曉文、楊云軍、周偉江為共同作者，作者單位為：中國航天空氣動力技術(shù)研究院）