天问：火星与人类的未来 | 袁岚峰
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导读
我们胸怀的远不只是个人与国家的得失，而是人类在宇宙中的命运。
2020年7月23日，中国的火星探测计划“天问一号”正式启程。对此，最容易想到的可能是国家荣誉，以及屈原《天问》代表的中华民族自古以来对宇宙的好奇与向往。这些当然都很好。不过，如果你对火星有更深入的了解，就会发现更多的有趣之处。
天问图（http://www.16pic.com/zhuangshi/pic_1092240.html）
为什么要去火星
一个基本的问题是：为什么要去探测火星？
很奇妙，对此的基本回答居然是：因为火星比金星好。
让我们来解释一下。太阳系有八大行星，从内到外分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。也就是说，金星、地球、火星排在第2、3、4位。
八大行星
如果我们是太阳系以外的智慧生命，远远地发现了太阳系，那么我们会问：这个恒星系里有没有智慧生命？如果有的话，最可能在哪儿？
单凭位置，我们就可以判断个八九不离十：水星离太阳太近，一切都被烤焦了；木星以及更外圈的离太阳太远，一切都被冻僵了。所以这些行星都不适合生命生存，更不用说智慧生命了。
最有可能的，就是离太阳距离适中的金星、地球、火星。用专业术语说，这三个处于太阳系的“宜居带”上。
地球位于宜居带的中间，当然是各方面条件最优的。金星和火星相比如何呢？这是个有趣的问题。
让我们看一下基本指标。金星的质量是地球的82%，体积是地球的87%，重力是地球的90%，各方面都跟地球十分接近。而火星跟地球的差别就很大，它的质量是地球的11%，体积是地球的15%，重力是地球的38%。
地球和两个邻居的对比
所以如果把寻找地外生命比喻为相亲节目，那么在“一见钟情”环节，我们对金星的第一印象比对火星好得多。正好金星的英文也是Venus，罗马神话中的美神维纳斯。
《维纳斯的诞生》
人类在二十世纪五十年代掌握了航天技术后，确实立刻就将金星作为了探测目标。人类第一个接近其他行星的探测器，是1962年美国的水手2号，它的目标就是金星。
然而，人类探测维纳斯的热情，很快就消退了。历史上总共有10个探测器在金星着陆，都来自苏联。但其中工作时间最长的只有127分钟（金星13号），最短的只有23分钟（金星7号）。
为什么这么短命呢？因为金星的生存条件实在是太恶劣了。
金星有一个极其浓密的大气，它的压强高达地球的92倍，相当于一个人背着一辆50吨重的坦克。
更糟糕的是，这么浓密的大气中绝大部分是二氧化碳，超过96%。地球大气中只有0.04%的二氧化碳，就造成了不小的温室效应，成为全世界关注的焦点问题。金星的二氧化碳浓度比地球高几十万倍，你说这温室效应得强到什么程度？
由此导致，金星表面的平均温度超过460摄氏度，居然比离太阳最近的水星的向阳面还热。一个开玩笑的说法是，在金星表面任何一个地方，生命跟烧烤之间只差一点孜然粉，甚至孜然粉也会被烤糊。
除此之外，金星的火山爆发很活跃，大气中有很多火山喷出的硫化物，下雨下的是硫酸雨。大气太稠密，把阳光挡了个严严实实。金星表面一片昏暗，只能偶尔看到硫酸云雾里的闪电雷暴和火山爆发的光亮。
这些条件都很恶劣，不过死猪不怕开水烫，总之金星对人类是个地狱般的环境。名字叫维纳斯，其实比美杜莎还可怕。
美杜莎
现在，我们掉过头来看火星。这位在“一见钟情”环节被刷掉的选手，在“二见钟情”环节却成功复活。
火星有一个稀薄的大气，密度不到地球的1%。如果一上来就看这个，你会感觉这很糟糕。但跟金星对比，你就会明白什么叫做“如释重负”了。毕竟，气压低你可以穿航天服，而气压太高你就只有被压死了。
火星大气的主要成分也是二氧化碳，占95.3%，此外还有2.7%的氮气和0.1%的氧气。乍看起来火星的温室效应也应该很严重，不过由于总的气压太低，温室效应其实很弱。
火星表面的平均温度是-55摄氏度，而且波动范围很大，可以上至30摄氏度，下至-100摄氏度以下。如果一上来就看这个，你也会感觉很糟糕。但跟金星的460摄氏度对比一下，你就会感觉好多了。至少，你的标准配置是航天服，而不是孜然粉！
火星非常有吸引力的一点，是上面有水。
人们最初用望远镜观察火星的时候，看到很多纹路。许多人把它们理解为河道，甚至是火星人开掘的运河。十九世纪末、二十世纪初的时候，出现了很多描述火星上有智慧生命、以至于火星人入侵地球的文学艺术，当时这是主流思潮。
1884年法国天文学家弗拉马利翁出版的火星地图（《火星地图“变形记”》）
但我们对火星了解得越多，就越认识到上面不太可能有智慧生命。实际上，截止目前我们没有在火星上发现任何生命。火星历史上应该有过活跃的地质运动与河流，但由于太阳风的吹拂以及小行星的撞击等等，后来逐渐都消失了。火星是一颗正在衰亡的星球。
然而，火星现在还有大量的固态水，也就是冰。这是一个非常重要的发现，是近年来若干个探测器一再确认与深化的。火星上还有大量的固态二氧化碳，也就是干冰。为了跟干冰区别，文献中往往把固态水称为水冰。
NASA绘制的火星地下水冰分布图。冷色比暖色更接近地面；黑色指出飞船容易陷入细尘的区域；框中显示的是挖掘水冰的最佳区域（https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-treasure-map-for-water-ice-on-mars）
在火星的南北极，就有巨大的水冰与干冰混杂的冰盖，水冰主要集中在底部。这对于我们移民火星，提供了非常宝贵的资源。再次跟金星对比一下，火星简直就是天堂！
除此之外，在火星的地下很可能还有液态的卤水，即溶解了大量盐分的水，甚至可能有巨大的液态卤水湖。这让火星上存在生命的希望大增。
在地球的各种极端环境下，如火山口、深海、热泉、盐湖等等，都有不屈不挠的微生物生存着。它们的能量来源可以不是光合作用，而是各种因地制宜的办法，如硫酸亚铁氧化还原反应放出的化学能。对于这些小强来说，火星的环境远不算最恶劣的。因此，在火星上发现生命是相当有可能的。
未来一段时间里，掘地三尺寻找生命，就是火星探测的一个重点目标。如果真的找到了，那么这将是人类第一次发现地外生命，带来的冲击是巨大的。
火星还有一点有利条件，是它跟太阳系的小行星带十分接近。小行星带有几十万颗小行星，以及数以亿计的极小星体。它们的成分和构造千变万化，不少拥有地球上极其稀缺的矿产资源。
小行星带
所以，如果我们能在火星上建立基地，那么就可望开展大规模的小行星采矿。一言不合就把一颗小行星拖到火星上，把它变成一个大型露天矿场。
这跟当前的技术相距并不遥远。我有些朋友，如中国科学院国家空间科学中心的研究员李明涛和周炳红等人，就在研究操纵小行星的技术。如果说从地球出发利用小行星的难度还非常大，那么从火星出发的可行性就高得多了。
李明涛与周炳红等人提出的“以石击石”行星防御任务概念示意图（http://www.cas.ac.cn/syky/202005/t20200526_4747793.shtml）
由此可见，在火星上我们能发展的产业，除了种土豆之外，还有采矿业。这里要解释一下，电影《火星救援》里种土豆的情节，其实是相当有道理的。土豆对土壤肥力的要求低，对水分的要求适中，产量大，周期短，确实很有可能在火星上长好。
《火星救援》
除了土豆之外，人们还在模拟火星土壤试验不少植物的种植。所以将来的火星定居者，解决吃饭问题并不难，会有很多选择。
不过，《火星救援》也不是所有的情节都符合科学。例如开头的火星风暴，能把火箭都吹倒，就是一个不会出现的场景。
前面我们说了，火星大气的密度不到地球的1%。所以虽然火星上的平均风速比地球高好几倍，但风暴的破坏力远不如地球。这就好比地球上的风速比水流的速度高得多，但狂风的破坏力远小于洪水。
所以你如果要问，为什么马特·达蒙的同伴都跑了，把他撂在火星上？回答就是：导演安排的！
上面我们对火星生活做了许多畅想。不过这些畅想的前提是，我们在火星上建立了能支持大量人口的基地。而这个目标还远得很，我们连一个人都还没送上去过呢，不要说很多人。
但无论如何，在太阳系的其他行星上建立基地，火星肯定是第一选择。从这里出发探索更远的深空，比其他任何行星都有利得多。水星、金星、木星等等纷纷表示：我没意见！
如何去火星
下面，我们来介绍一下从地球怎么到火星。
首先我们要问，地球离火星有多远？
地球和火星都在围绕太阳公转，地球跑第三道，火星跑第四道。两个轨道都是接近于圆的椭圆。地球轨道跟圆相当接近，半径约为1.5亿公里。火星轨道稍微扁一点，近日点和远日点分别约为2.07和2.49亿公里。
由此可见，地火距离最近是当太阳、地球、火星三者排成一线的时候，这叫做“火星冲日”，距离最小值在0.6亿公里左右。地火距离最远是当地球和火星分居太阳两边排成一线的时候，最大值在4亿公里左右。
我们当然希望走的距离越短越好，所以下一个问题就是：什么时候会出现火星冲日？
答案是：火星冲日是一个周期性的现象，大约每780天发生一次。
为什么呢？从地球和火星的公转周期就能算出这个数值。
地球的一年大约是365天，而火星的一年大约是687天。经过780天后，地球走过了780/365 = 2.14圈，火星走过了780/687 = 1.14圈。
地球和火星的轨道周期、会合周期示意图
地球比火星刚好多走了一圈，用田径运动的术语，就是火星被地球套圈了。所以如果出发时日地火连成一线，那么到这里它们又会连成一线。当然，这条线跟上次的线并不重合，转过了0.14圈。
再下一个问题是：我们应该怎么过去？直接飞向火星吗？
影视里的超人和汽车人、霸天虎等等，要去哪里，都是把胳膊一抬，就径直飞过去了。但学过牛顿力学，就知道这是不可能的。因为要受到引力的作用，你不可能走直线。
在太阳系里，最大的引力源就是太阳。除了在每个行星附近之外，在绝大部分空间起主导作用的都是太阳的引力。因此，飞船从地球到火星的旅程，绝大部分是在太阳控制下的。如果我们在途中不开动力，那么根据开普勒第一定律，飞船的轨迹就是一个以太阳为焦点的椭圆。
基于这些考虑，答案就呼之欲出了。我们走的是这样一条轨道：它在离开地球的时候与地球绕太阳的轨道外切，这是近日点；在接近火星的时候与火星绕太阳的轨道内切，这是远日点。在中间路程，它是一个以太阳为焦点的椭圆的一部分。
整个行程中，发动机只需要点火两次，就是在起点和终点。这样耗费的燃料最少，而且操作最为稳妥高效。
这样的轨道，叫做“霍曼转移轨道”。它是在1925年，由德国物理学家沃尔特·霍曼（Walter Hohmann）提出的。
霍曼转移轨道
一条霍曼转移轨道的路程长达6亿公里左右，约为地火最近直线距离的十倍，需要飞行大约260天即约9个月。之所以要这么久，是因为它相当于从地球无动力地漂到火星，对能量的需求最低。
如果你愿意消耗更多的燃料，投入更大的成本，那你当然可以抄近路。这叫做“快速转移轨道”。例如，美国2018年发射的洞察号依靠强大的火箭和最好的时间窗口，只走了4.8亿公里，只用7个月就到达了火星。
洞察号轨迹（动图）
不过，化学火箭的能力已经接近上限。因此，再怎么投入也很难让从地球到火星的时间突破6个月。但是新的推进技术正在发展中，例如离子电推进和核能推进。如果这些技术成熟，我们到火星的行程有望大大缩短。
有一点需要强调的是，不少科普文章说出发的时间就是地火距离最近的时间，这是一个常见的错误。我们希望的是总的行程最短，而不是直线距离最短。所以，实际情况是在火星冲日之前几个月出发，之后几个月到达。
由此决定了，每过780天即大约26个月，就会出现一个火星探测的窗口期。我的朋友、笔名“太空精酿”的著名科普作家毛新愿博士，最近出版了一部著作《下一站火星》，在这里向大家强烈推荐，本文的很多内容就来自他这本书。他给我画了一幅图，显示出二十一世纪各个时间的地火距离与各个探测器飞行的时间段，就非常形象地表现出了这个780天的周期。
二十一世纪各年地火距离与探测任务
在2020年的窗口期中，终于出现了中国的火星探测项目：天问一号。其实天问是一个系列，包括火星探测、小行星探测、木星探测等，其中首次自主火星探测被命名为天问一号。
中国与火星
此前，大部分成功的火星项目都来自美国。当年的苏联和后来的俄罗斯都尝试过不少次，但大都以失败告终。其中还有一次拖累了中国。
2011年，中国的火星探测器“萤火一号”参与俄罗斯的“福波斯-土壤号”探测计划，搭乘俄罗斯的火箭升空。但由于来自宇宙的高能粒子突然增加，探测器芯片失效，无法变轨，最终在大气中焚毁。
当时，中国没有能把大型载荷送到火星任务的火箭，也没有能达到火星的全天域深空通信网络，只能搭俄罗斯的车。几年之后，我们开发出了运力前所未有的长征五号火箭，它可以用于火星探测、月球探测、空间站发射等多种任务。同时，我们也开发出了深空通信网络，例如在2019年嫦娥四号登陆月球背面的壮举中就发挥了关键作用。2020年，这些新技术大展身手的时候到了！
嫦娥四号着陆在月球背面
中国在火星探测领域是一个后来者，不过起点可以说是相当的高。天问一号将一次执行“绕落巡”三项任务，也就是说，它的载荷包括三部分：环绕器（orbiter，也有人翻译为轨道器），它可以环绕火星观测和跟地球中继通信；着陆器（lander），用来登陆火星；以及巡游器（rover），也就是火星车。
天问一号艺术示意图。这次任务将综合使用轨道器和着陆器/巡视器来研究这颗红色星球（《中国首次火星探测任务即将展开，先来听听首席科学家的“剧透”》）
其他国家的第一次火星任务，都是只有环绕，或者连绕带落，或者连环绕都没有，只是飞掠，从来没有一上来就做全套的。
实际上，绕落巡这三步中最困难的是落。目前只有美国成功实现过落，以及随后的巡。其他国家尝试过好几次登陆火星，但都失败了，后面的巡就更不用提了。了解了这一点，就更显示出中国的跨度之大了。
中国选择了如此激进的路线，说明我们对自己的技术相当有信心。这信心当然是有实践基础的，不是天上掉下来的。例如在月球上的嫦娥与玉兔组合的两次成功，尤其是鹊桥号中继通信卫星、嫦娥四号着陆器与玉兔二号月球车联合实现了人类对月球背面的首次探索，都是令人振奋的成就。
在地月L2点晕轨道的月球中继卫星与地球、月球的相对位置关系（http://k.sina.com.cn/article_6357519188_17af00b5402700kt6h.html）
还有一个原因，是大多数人没有意识到的。这个原因就是，只有大踏步地前进，才能取得有价值的科学成果。
单纯依靠绕和落能观察到的现象，都已经观察得差不多了。如果我们想认真做科研，就需要绕落巡全都上。尤其是火星车可以自由移动，可以探索别人没去过的世界。所以真正有趣的问题是，我们要不要认真做科研呢？
天问一号着陆平台（右）和火星车（左）（《超酷！中国首辆火星车来了》）
一个戏剧性的例子，来自印度。可能许多人不知道，印度在一个航天领域是领先于中国的，——就是火星探测。2013年11月，印度发射了“曼加里安号”火星探测器。飞行了11个月后，它在2014年9月进入环绕火星的轨道。
曼加里安号火星探测器宣传图
虽然印度缺乏深空通信网络，这次任务的深空通信是由NASA支持的，不过火箭是印度自己生产的极轨卫星运载火箭（Polar Satellite Launch Vehicle，简称PSLV），这就很值得赞扬。凭借这项成就，印度成为了第一个也是唯一的一个首次探测火星就完全成功的国家，在这方面比中美俄欧日都强！
不过，这里的关键在于“完全成功”。有些国家或地区的首次任务，虽然只是部分成功，取得的科学成果却比印度多得多，例如欧洲的“火星快车”。
所以印度的“完全成功”是在目标很低前提下的成功，基本上只有刷自豪感的价值。正如我在评论2019年9月7日印度的“月船二号”落月失败时说的（印度落月失败：从“画扇面”到“小目标” | 袁岚峰）：只要你的目标够小，总是可以实现的！
“月船二号”轨道示意图
有了这些背景，才能理解中国面临的问题：我们要不要认真做科研？
中国火星探测首席科学家万卫星院士，2020年5月20日因癌症去世，享年仅62岁。出师未捷身先死，长使英雄泪满襟。他在2019年的一篇文章（万卫星院士遗作：从深空探测大国迈向行星科学强国 | 中国科学院院刊），明确地回答了这个问题。
万卫星
历史上，美苏都投入了巨大的资源进行太空探索。苏联起步还早一些，初期具有技术优势。不过美国后来居上，超过了苏联。一个重要的原因就是，美国意识到，太空事业的发展要以科学来引领。
例如，1957年，苏联的人造卫星记录到了地球上空上万公里处的辐射带，但认为是仪器问题。几个月后，美国的人造卫星也发现了这个辐射带。这成了一个伟大的发现，被命名为范艾伦辐射带，范艾伦（James Alfred Van Allen，1914 - 2006）是美国物理学家和早期卫星的研制者。
范艾伦辐射带
让我们引一段万卫星的原文：
“如果说第一次热潮的主题是探测竞赛，比的是谁先跑得最快，那么第二次热潮的主题应是科学竞赛，比的是谁先看得最深。人们已经不满足于到行星表面看一看，而是看向时间的深处——研究行星的演化历史，看向空间的深处——研究行星的内部结构，看向人类的深处——研究生命起源和寻找地外生命。”
2020年7月13日的《自然·天文学》，刊登了万卫星的讣告以及他介绍天问一号的文章（中国首次火星探测任务即将展开，先来听听首席科学家的“剧透”）：
“‘天问一号’将在第一次尝试中就进行环绕、着陆和释放巡视器，并与轨道器协调观测。从来没有任何行星任务是以这种方式开展的。如果成功，将标志着一次重大的技术突破。从科学上讲，‘天问一号’是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务。”
不少次火星探测器的着陆地点，都被命名为某位科学家的纪念碑。如果天问一号取得成功，那么我们希望它的着陆地点被命名为万卫星纪念碑。
我们应该清醒地看到，我们是火星的后来者。即使一次性实现绕落巡，赶上了美苏几十年的历程，但这也是美国在二十多年前就做到了的。
同时我们也应该看到，人类对火星的探索刚刚开始，更不用说改造了，我们的面前有广阔的空间。只要我们持续奋斗，我们取得的成就将超出所有人的预料。
最重要的是，我们胸怀的远不只是个人与国家的得失，而是人类在宇宙中的命运。
背景简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰。（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。本文节选发表于《瞭望周刊》新媒体（https://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/vh512/share/9271934?channel=weixin；人类为何对探测火星兴致盎然？中国处于什么水平？）
责任编辑：陈昕悦