视觉中国供图
国家航天局公布的天问一号探测器拍摄的高清火星影像图新华社发（国家航天局供图）
5月15日，在环绕火星飞行探测了3个多月后，天问一号着陆巡视器终于稳稳地落在火星乌托邦平原南部预选着陆区。这个名字源于屈原《天问》的着陆巡视器，满载着中国人“九天之际，安放安属？隅隈多有，谁知其数……”的疑问，探寻这颗红色星球的前世今生。
千万里的跋涉，只为你而来。中国火星探测的首选地为何花落乌托邦平原？火星上的高地、山脉、峡谷又是如何形成的？载人探火的选址会有所不同吗？随着火星探测事业的发展，人类对于火星的种种疑问，也将被一一解开。
是否“曾经沧海” 去乌托邦平原看了才知道
从20世纪60年代至今，火星的天幕上，便屡见天外来客。1960年至2019年，国际上的火星探测任务共有44次，但其中成功和部分成功的只有22次，是风险最高的航天任务之一。
1997年，“旅居者”号火星车在火星的克里斯平原阿瑞斯谷着陆，这是人类送上火星的第一台火星车。2004年，美国“勇气”号、“机遇”号这对双胞胎火星车先后登陆子午线高原和古谢夫撞击坑。更大、更重、功能更强的“好奇”号火星车则于2012年8月在盖尔撞击坑登陆。今年2月，美国“毅力”号火星探测器降落在火星北半球伊西迪斯平原西侧的杰泽罗撞击坑。
“陌生星球的着陆点选择，要受工程约束和科学目标的双重限制，既要有科学意义，也要易于工程实现。”中国航天科工二院研究员、国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光道出了选择火星着陆点的玄机。
“出于工程安全的需要，着陆区一般选择在赤道附近的低纬度区域，以保证火星车的太阳能电池板能获得足够的太阳光照，而且那里夏季白天温度为20多摄氏度，利于设备正常工作；第二是着陆点附近区域要平坦，尽量避免存在大块岩石，确保探测器着陆时不会倾覆；第三是着陆点海拔要低，探测器着陆的过程十分凶险，地势越低，越能为探测器着陆争取缓冲时间。”杨宇光说。
工程安全让科学探测如虎添翼。“得知成功的那一刻太激动了，要感谢这些航天工程专家，如果没有他们，我们的科学目标就没法实现。”5月15日凌晨，中国首次火星探测任务预先科学研究团队成员，中国科学院地球化学研究所月球与行星科学中心、中国科学院比较行星学卓越创新中心研究员赵宇鴳便不断刷新着各种网页，捕捉天问一号的最新动态。
赵宇鴳和她的合作者们曾围绕天问一号备选着陆区开展过地质环境的背景调查，“乌托邦平原是国际天文联合会于1973年命名的，它是太阳系中最大的撞击盆地，直径约3300千米。它地处的火星北半球，在距今约40亿年前就形成了。有一些科学假说认为，乌托邦平原曾经有海洋，并存在着与水有关的地貌特征，如严重退化或掩埋的撞击坑，这可能是由于沉积物被压实导致；分布于中纬度地区的指纹地貌，可能是冰川或火山作用形成；巨型多边形地貌，可能是由热收缩作用导致永久冻土开裂形成。但乌托邦平原的古海洋还有待进一步探测，毕竟现在人类对火星北半球的研究程度还很低”。
特殊地理、气候环境 让火星北极地质具有独特性
从太空俯视火星，这颗红色星球云集众多地质奇观。火星上的奥林帕斯山是太阳系中已知最高的火山，高约2.6万米，约为珠穆朗玛峰的3倍。
据美国国家航空航天局（NASA）分析，这极有可能是因为火星重力小，火山爆发率高，因此火星上的造山熔岩流动持续时间比在地球上长得多。
在赵宇鴳看来，“火星壳至今还没有发现板块运动的痕迹，这使得上涌的岩浆会在一个区域上不断堆积，逐渐形成单一巨大的火山”。
火星的另一项地质纪录是拥有太阳系中最深的峡谷，即靠近其赤道的水手峡谷，它长约4000千米，最深的地方为7千米，可媲美地球的东非大裂谷。“由于奥林帕斯山所在的萨希思火山省不断隆升，造成邻近区域火星壳的拉张陷落，水手大峡谷由此形成。有科学家对比了水手大峡谷两岸的岩层，发现没有发生错动。但有关火星北部平原的形成，科学界还一直没有达成共识。”赵宇鴳说。
赵宇鴳曾参与“机遇”号、“凤凰”号和“好奇”号的数据分析。她介绍，科学家发现在不同的着陆点，火星车观测到不同的局部环境，指示火星表面的地质多样性。例如，“机遇”号火星车在火星子午线高原的沉积记录中发现赤铁矿小球，科学家推测这可能是由硫酸铁氧化转变而成；“勇气”号火星车在古谢夫撞击坑发现了热泉环境；“凤凰”号在火星北极着陆点的土壤中发现了水冰、碳酸盐、高氯酸盐等；“好奇”号在盖尔撞击坑发现了流水活动的证据以及湖相沉积物。同时，受区域或全球性尘暴的影响，火星表面还广泛存在着一层成分较为均一的、富含硫和氯的火星尘埃，火星土壤的细粒组分较粗粒组分更为均一。
火星的“容颜”逐渐被人类揭开，其中，火星南北极最令赵宇鴳神往。“极地的探测很难，那里日照短、寒冷，但地貌丰富，人类可以通过冰盖的活动，判断火星气候变化，分析演化历史。”她解释道，火星北极的冰盖，下面是水冰，上面是干冰，冬季极区有时会扩张到北纬55度，天暖时又回缩，这个过程会导致大气气压的变化，形成很大的风，所以极区的边缘容易出现尘暴。
“火星北极特殊的地理、气候环境，也让那里的地质具有独特性。例如高氯酸盐鲜见于地球自然界，它往往被人工合成用于火箭燃料等，但它却被发现于火星北极土壤里，而且是该区域氯元素的主要存在形式，在火星其他着陆点和火星陨石中，氯的存在形式主要类似地球的石盐。我们的研究认为，在极低温度和干燥环境下，冻融过程会使表土不断富集高氯酸盐而不是石盐，这个现象即使在地球极地也是没有的。”赵宇鴳表示。
赵宇鴳分享，今年“毅力”号火星车登陆的杰泽罗撞击坑，在“当选”着陆点前，有一位强劲的竞争对手——古谢夫撞击坑。“‘勇气’号曾去过那里，其着陆之前，科学家认为那里以前是湖，因为撞击坑外有河道流向，结果着陆后探测发现地表物质以玄武岩为主，完全是火山环境。”她说。
她介绍：“‘勇气’号任务后期又发现了富硅的沉积物和硅华，在显微镜下看，硅华呈指凸状，从外形看，这与南美洲阿塔卡马沙漠中热泉中的硅华相似。而热泉可以为生命提供能源、水以及组成生命必需的物质，科学家团队在切开阿塔卡马沙漠热泉的硅华后，发现其中有生命的痕迹。”
未来载人登陆火星 赤道附近低平、有水区域或是首选
人类迈向深空探索的脚步从未停歇。“载人探火一直是国际太空计划的目标。”赵宇鴳介绍，自1950年以来，涉及载人探火任务的概念性工作一直在进行。欧洲航天局制订的“曙光计划”中就有一项在2033年载人探火的旗舰任务。
如果有一天人类踏上火星，又该选择什么样的落脚点？“相较于火星车着陆，载人探火要解决人的生存问题。”赵宇鴳说，热源、水、氧气以及返回地球的燃料，都将决定人类能否驻足火星。
“火星很冷，要寻找足够的热源，所以未来载人探火的选址，地势要低平，最好处于赤道附近，便于吸收热量。后期航天员返航时发射火箭，在赤道附近也会相对节省燃料。就水而言，目前没有探测到火星有流动的水系，有一些遥感观测数据发现火星山脉暴露的断层里夹杂冰层，但这些地区温度很低，冰被冻了很久，很坚硬，很难开采。如果能提取出近地表的蒸发盐中保存的水，或许也可以选择富集这些盐类的区域着陆，以便提供补给，同时水也可以用于制氧。”赵宇鴳说。
氧气是生命的重要支撑，目前在火星上也有了部分来源。赵宇鴳介绍，“毅力”号着陆火星杰泽罗陨石坑后，首次成功制氧，“火星车从火星大气的二氧化碳中提取氧气，1小时制取的氧气可以供航天员呼吸约10分钟，这是很大的突破，目前我国也有科学家在做相关的技术研究”。
“从技术层面说，眼下，载人探火需要解决防辐射、巨型探测器着陆、降低成本等难题。”杨宇光说，人类往返火星的防辐射能力首当其冲，但载人探火没有绕不过去的坎。
“欧洲曾经做过研究，一个航天员职业生涯接受辐射的剂量不能超过1西弗。但受发射窗口约束和变轨能力限制，人类仅往返火星和地球间就需要一年半以上的时间，如果中途再遇到太阳活动爆发，银河宇宙线加持，就会影响航天员的生命安全。”杨宇光说。
赵宇鴳表示，“好奇”号的火星辐射环境实验发现，火星表面的辐射暴露量约为国际空间站的2.5倍，而地火间往返旅行将受到的辐射为0.66±0.12西弗。
“但这并非没有办法解决，可以加厚航天员居住舱的金属屏蔽层来防辐射，居住舱最好能重复使用，否则成本太高。不过这个问题如何解决，现在没有定论。”杨宇光推测，载人往返火星路程遥远、载荷庞大、系统复杂，飞船可能重达数百吨以上，这意味着单次载人往返火星的成本预计要在千亿美元量级。
“如果要考虑在火星表面建立科考站，还要考虑人员定期往返和样本往返的问题。基于核反应堆的电推进技术，可能是一种途径。”杨宇光说，相较于地球，火星接收的太阳能少很多，所以火星科考站的建立需要很高的储能实力以抵御风暴天和极夜。而兆瓦级以上的基于核反应堆的电推进技术，可以提供更多动力来源，会使整个任务规模比太阳能电推或化学推进小很多，但人类目前的火箭发射技术难以保证每一次发射都成功，如果发射时爆炸，核污染是难以想象的。而建立核反应堆，冷却也是需要解决的关键问题。
火星旅游必打卡景点指南
景点一：奥林帕斯山
它高约2.6万米，大致相当于珠穆朗玛峰高度的3倍，是太阳系中已知最高的火山。
它的形成极有可能是因为火星重力小，火山爆发率高，因此火星上的造山熔岩流动持续时间比在地球上长得多。此外，火星壳至今还没有发现板块运动痕迹，这使得上涌的岩浆会在一个区域上不断堆积，逐渐行成单一巨大的火山。
景点二：水手峡谷
它靠近火星赤道，长约4000千米，最深处7千米，是太阳系中最深的峡谷。
由于奥林帕斯山所在的萨希思火山省不断隆升，造成邻近区域火星壳的拉张陷落，水手峡谷由此形成。
景点三：北极
这里虽然日照短、寒冷，但地貌丰富，人类可以通过冰盖的活动，判断火星气候变化，分析其演化历史。
此外，这里还有地球自然界鲜见的高氯酸盐，它在地球上往往被人工合成用于火箭燃料等。
本篇文章来源于 《科技日报》 (2021-05-18)|（作者 金凤)
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