第354期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读]《火星之旅》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——火星之旅
主 持 人：段玉龙
做客嘉宾：刘 勇，中科院国家空间科学中心研究员。
刘 莤，北京天文馆副研究员。
讲座时间：2022年4月18日～4月24日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——火星之旅
讲座内容：
各位观众朋友大家好！欢迎收看《透视新科技》，我是主持人段玉龙。中国首次火星探测任务，计划于2020年择机实施，这个消息引发了全社会的广泛关注，火星上究竟有什么？科学家们为什么要去探测火星呢？2019年11月14日，中国国家航天局邀请部分外国驻华使馆及国际组织人员赴位于河北怀来，目前亚洲最大的地外天体着陆综合试验场，观摩中国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验。这是中国火星探测任务首次公开亮相，也是中国务实开展航天国际交流与合作的重要举措，中国首次火星探测任务计划于2020年择机实施。
今天做客演播室的二位嘉宾分别是中科院国家空间科学中心的研究员刘勇，欢迎刘老师，您好！主持人好！另外一位嘉宾是北京天文馆的副研究员刘茜，欢迎刘茜，您好！主持人好！我们刚才和大家在短片中看到，中国人也有去探索火星的计划了，就目前所掌握的信息来看，火星究竟是一颗什么样的星球啊，刘老师？对我来说，火星其实是一颗挺神奇的星球。我们知道火星的火，是因为它的颜色，在它特别明亮的时候看起来是发红，应了五行里面火的颜色。在它叫火星之前呢，它曾经叫萤惑，也是取了荧荧如火，像烛火一样的发红的颜色的含义，这是一颗古代就让人觉得有些迷惑的行星。现在我们知道火星是一个小个子，但是它上面的地貌个头特别大。您说火星是个小个子。是的。有多小啊？火星的半径比地球来说刚好是地球的一半多一点点，这样子。小个子的火星上面却有大地貌。比如说火星上有一个特别大的火山叫奥林匹斯火山，它是太阳系所有行星里面最高的一座山。为什么这么少的身材会有这么高的一座山？
这就跟火星的地质的运动有关系了，火星因为它上面的地质运动很早就停下来了。所以在佛山喷发的时候，总是在同一个点向外喷发，所以熔岩在同一个点不断地涌出再凝固，不断地积累，就形成了这样一座巨大的山脉，它的高度将近22千米。22千米？对。地球上最高的山？也就是8848米。对。它将近是珠穆朗玛峰的二点几倍，快三倍的这样一个高度，但是它的坡度非常地缓，我们可以沿着只有几度的坡度，慢慢地走上山顶。因为它的山的底盘非常地大，这座山的底盘差不多相当于一整个云南省的大小。您刚才跟我们提到火星的地质运动在很早很早就停止了，为什么停止了以后，它会造出这么高的一座山来？火星的板块运动是停止了，但是它内部当时还有能量，还有岩浆可以涌出。涌出的岩浆，就在同一个点不断地积累，形成了这样一座山。地球上也有类似的火山，就比如说夏威夷的火山岛链，那么这就是因为下面的那个涌出岩浆的点，随着板块的运动在移动，那这样就会在一条线上涌出好多好多的火山。而火星上的这一座大火山，就相当于地球上好多好多个火山的累加，所以它这么大。难怪会累加出这么大的一座火山。除了这一座大火山，我们还能看到什么？
我们还有一个特别特别大号的峡谷，叫水手谷。它的长度大概4000千米，比火星的半径还要大，那么它的宽度200多千米，最深的地方7000米，这都比地球上最大的裂谷，东非大裂谷要大上好多。从您展示的这个图片，能够看到在火星的表面，这道大裂谷就像是一道伤痕一样，这么大的一道伤痕究竟是如何产生的？其实它的产生的过程跟地球上的东非大裂谷也蛮相似的，也是由于地壳的运动，然后拉开的一道裂缝。刚才刘茜老师提到火星是红色的，最早还跟一个词叫荧惑有关系。问一问刘勇老师，火星为什么是红色的？它这个红色本身是因为火星表面的土壤中，含有大量的氧化铁。氧化铁就是我们平时日常生活中见的铁锈，它呈现出来的就是红色的。火星上的红色是由地表的化学元素所决定的，我们知道在地球上有一些地貌也是红色的，比如说丹霞地貌，那丹霞地貌的红和火星上的红是一回事吗？
丹霞地貌的红色其实和火星上的红，来源当然都是同样的氧化铁，不过丹霞地貌的地貌，和火星的地貌还有一点区别，因为丹霞地貌主要是地球上的红色的岩层，在水的侵蚀的作用下形成的。而火星上的地貌，除了水的侵蚀之外，还有风的侵蚀。地球上有一种地貌叫雅丹地貌，它也是由于风的侵蚀而形成的地貌。如果把丹霞地貌和雅丹地貌加在一起二合一，大概就和火星上的地貌比较相似了。火星的地貌就是丹霞地貌、雅丹地貌二合一，刘茜老师还提到了在火星上有这种雅丹地貌的出现，是因为风的原因的侵蚀，火星上的风和地球上的风有什么样的区别呢刘老师？火星上的风，其实单从速度来讲的话，它的速度快、面积广，它经常是全球性的，是整个火星表面都发生大的风暴，而且它会持续时间长，就是持续几个月，在我们很多时候会给我们观测火星，探测火星带来一个困扰。当然另外一方面，它也形成了这种有趣的地貌，不过火星因为它的大气密度比较稀薄，所以如果我们人在上面感受的话，即使是那么快的风的速度，我们能够感受到，风的压力也是非常非常小的。您的意思是在那么大的沙尘暴当中，有一个人伫立在那里，其实也不会感觉到像地面上一样如此大的沙尘暴对我们的那种冲击。所以这就是由于地球和火星，它们的地质条件不同，包括星球本身大小也不同，导致同样是一阵风，在火星上和在地球上就会有不同的表现和感受了。
火星是太阳系由内往外数的第4颗行星，属于类地行星。火星和地球形成时间相仿，它们一样拥有固体外壳，同样拥有高山、峡谷以及龙卷风。在火星上同样有冬去春来，季节更替。火星表面大气压仅为地球的1%。从上世纪60年代，人类便开始对这颗红色星球的探索。二位刘老师，刚才我们在短片中，看到的火星非常非常的美，令人神往，那实际上火星上的样子是什么样的？实际上的火星，其实非常的寒冷的荒芜，我们知道地球上也有一些看起来和火星蛮相似的地貌，比如说地球上的智利的阿塔卡马沙漠，或者电影《火星救援》，它拍摄的外景地是约旦的一片沙漠，地球上的许多荒漠，看起来和火星一样的荒凉，没有生机。同时火星上还非常寒冷，它的日常的温度，经常是零下几十（摄氏）度，那么我们把地球上沙漠的荒芜和南极的寒冷加在一起，差不多就是火星的感觉。火星上是一个又荒凉又寒冷的地方，所以这让我想起一部电影《火星救援》，其中所展示出来的场景，是还可以在火星上种土豆，那么在现实当中，这种场景真的容易呈现出来吗？《火星救援》它是一部科幻电影，它能够呈现出来的场景，是需要满足一系列的非常苛刻的条件之后，有可能发生的，因为火星上的土壤，它确实对植物的根系，可以起到一个支撑的作用。但是火星上的土壤，经常会含有一些有毒有害的化学成分，所以还要经过处理才能够进行土豆的种植。所以说在火星上种土豆，还得预先处理一下土壤，才可以开始种土豆。
其实火星的条件，完全不如我们所想象中的那么美好，又寒冷又荒芜，种土豆还得再提前下一番功夫，为什么我们要花费这么大的精力来去研究火星，甚至要去登陆火星呢刘老师？人类对于天上的各种各样的星球，都抱有非常大的好奇心，我们也希望有朝一日，我们能够去各个星球进行探索。正像航天之父苏联科学家齐奥尔科夫斯基说的那样，地球是人类的摇篮，但是没有人会一直待在摇篮里。刘茜老师您怎么看？我是这样看的，因为人类对地外天体的想象，是自古以来的。从望远镜发明以来，人们发现月球是一个球形的天体，发现太阳是另外一个天体，就在讨论月球人、太阳人的存在，这还不是小说家的思考，而是大天文学家的思考。一开始伽利略和开普勒他们就在讨论，月球上的人是什么样的？后来的大天文学家赫歇尔也认真地思考过太阳人的存在，所以人们一直以来，是觉得地外是有生命存在的，月球经过大家的了解，它不太可能有生命的存在。没有月球人。太阳，当然了温度那么高，表面的温度可以达到5000多摄氏度，那么也是太阳人（生命），是不太可能在上面生存的。就剩下火星还有比较大的机会，所以人们对它寄予厚望，也是很正常的一件事。
您说到这一点，我们就想起有不少的说法，比如说网上流传的，或者一些科幻电影拍的火星上是有生命，但是现在为止，好像我们也没有得到确实的证据。关于火星生命这件事儿，您二位是怎么看，火星上究竟有没有生命呢？我们到目前为止科学家还没有明确地发现，说现在火星上有生命存在的证据，这是第一。第二是火星上，可能在历史上曾经存在过生命，虽然我们前面讲过了，说火星上寒冷，大气非常稀薄，不适合这种高等生命存在，但是保不齐有这种，非常原始的生命，还存在在上面，还能在上面生存。比方说一些微生物，（比如）细菌或者是病毒，这样类似的一些东西。火星上曾经可能存在过生命这件事情，有一些各方面的证据来作证。比如说在火星上发现了一些矿物，比如说有一种矿物叫黄钾铁矾，这个名字蛮生僻的，我们不用管它，只要知道这种矿物，在地球上怎么形成的呢？在地球上，它要通过一种吃岩石的细菌的帮助才能够形成。那么如果说在火星上，它是通过同样的过程形成的，那么在火星上就可能存在同样的细菌。另外，在火星上还有发现了大量的黏土矿。黏土矿这个东西，在地球上是要有水的浸泡，要有适宜的温度，还要有适宜的酸碱性才能够形成，这都是非常适合生命存在的一个环境。
另外，在火星上还有一些由于水的流动和冲刷，而形成的地形、地貌，有一些干涸的河道，有一些冲积扇的平原，还有一些由大洪水产生的冲刷过的水道。比如说我们看到这张图上的褶皱，是不是这就是冲刷的证据？对，这是冲刷的证据，另外还有一些好像地球上的鹅卵石一样的石块，这也可能是水冲刷之后留下了一个痕迹，这都充分地证明了火星上曾经有水，而且火星上现在还有水，大部分冻结在了极冠，和高纬度地区的冻土中。比如说火星的北半球有一个巨大的平原，它下面冻结的水冰可能相当于一整个地球上最大的淡水湖，叫苏必利尔湖，相当于一整个苏必利尔湖的水量。另外在火星上还发现了一种矿叫球状针铁矿，这种矿在地球上很有意思，它经常是能够在里面找到一些古生物的化石。那么，当然还没有认真地去探测火星上的球状针铁矿里面有没有什么东西，但如果说当初曾经有生命存在的话，可能在这样的矿石里找到痕迹。另外在来自火星的陨石里面，找到了生物形成过程（包含的）碳。这是什么意思？生命体会跟外界发生碳的循环，然后在生命体发生碳循环的时候会有选择的，所以在生命体里面留下的碳和在外界的碳是不一样的，而在火星的陨石里面发现的碳，它比较像是生命（形成）过程里留下来的碳。
很多科学家，他们持这种观点，就是在早期原始的地球，它是不适合生命产生的，所以我们很有可能（得出结论），地球上的生命是从外星球来的。另外一个角度是，火星其实比地球更早达到一个适宜生命存在的一个环境。适宜生命存在的环境是什么意思？因为火星比地球小一点，它形成得早一点，而且个子小，它冷却得也早一点，就比较先一步地达到了一个温和湿润，可能酸碱性也合适的这样一个环境。虽然说它很快这个条件就消失了，但是它有可能先一步产生了生命的种子，然后通过陨石了来到了地球，这是一些科学家的假说，是这样的。只不过后来，逐渐演化的过程中，火星慢慢地失去了水，失去了空气，最后变成了一座（颗）“死了”的星球，地球上的生命繁衍下来，保持了活力，才有了今天我们复杂的大千世界。大家一定很好奇，为什么火星好端端地就水也没有了，空气也变得只剩那么一点点了，是什么原因导致火星“死了”的呢？地球上所以有大气，所以有能够支持生命的存在，还有温暖湿润的气候，因为磁场是一个保护罩儿，而火星在早期，它失去了这磁场，具体什么原因？可能有很多种原因，但是失去了磁场之后，火星的大气，包括水的粒子它就会离化，我们专业说法叫电离，就是它从一个中性的成分，变成带电的成分。然后它被吹过来的太阳风，把它们都带走。
磁场的强弱就是火星与地球最大的区别之一，对于地球上的各种生命来说，磁场太重要了。由于地球磁场的作用，位于地面600至1000千米的高空便形成了一层地球磁层。当太阳风暴来临时，由于地球磁层的保护，它们在接近地球的时候，绝大部分都被弹回并改变方向。只有极小部分才能通过地球两极的缝隙进入，与大气层相互作用，形成我们所看到的极光。而火星的磁场如今已经变得微乎其微，使得太阳风可以长驱直入，不断地带走火星上的气体和水，这就使得火星表面很难再有生命存在。简单地来说水，火星上的水被太阳（风）给吹没了。嗯，表面上一部分是这样，另一部分进入了地下，还有一部分其实是，比如说地球上的水吧，有可能它固定到岩石里面，或者说是俯冲到地幔里，然后它再通过地质活动，通过岩浆再回到地表。但是火星因为地质活动已经停止了，所以进入星幔的那部分水，它也一去不回，也不会再回到表面上了。火星上过去可能存在着生命，现在依然包括有水存在的可能，那是不是也侧面说明有不少的科学家提出，人类未来很有可能要移民火星，是因为那边也许是一个我们不错的可以选择的第二家园，我们在改造火星，成为第二个地球。我觉得这个事情上，我们分两步看，第一个我们要保留这种可能，因为从天文学的尺度来讲，地球随时可能面临一些无法预知的灾难，我们需要有一个这样的家园，能够让我们的文明继续地传承下去。
但是第二方面，改造火星，从现实的工程角度来讲，它的难度非常大，是至少在目前的现在的技术，是无法达到这样一个改造火星这样一个目的。并不是说我们探测完了，我马上就能改造，我们明天就能去了，我们可能是寄希望于在未来的几十甚至是一两百年，这样一个基础上来考虑这个事情。关于火星的探索，其实现在人类已经开启了脚步（进程），我们今天也和大家提到，中国人也开启了探索火星的计划。接下来我们就跟大家聊一聊，如果要从地球出发，要到火星，中间这条路又该怎么走呢？说到这条路怎么走，咱第一件事情是要了解究竟这条路有多长，地球离火星到底有多远，刘老师？最近也有5500万公里（千米）。5500万公里（千米），该怎么理解这个距离的长与短？地球到月球38万公里（千米），光一秒钟就能到。火星到地球5000多万公里（千米），光要去一趟要4分钟，回来一趟还要4分钟，所以我们要是在火星上做直播，我们就说一句话，观众要在4分钟之后听到，8分钟才能得到观众的反应。您刚才提到说火星离地球最近，都要打电话来回8分钟，那最远又是一个什么情况？
最远的距离，那就远了去了，地球和火星都绕着太阳转。这就好像我们在操场跑圈的时候，他跑在我隔壁跑道，那么肩并肩的时候是最近的，他跑到操场对面的时候是最远的，最远有4亿公里（千米）那么远。4亿公里，那还是抄近道比较好，咱就选比较近的那条路。对不起，您想通过这5500万公里（千米）来到火星，这是不可能的，您必须得走远的道。为什么呢？事实上我们在航天的时候，我们从来都不是走的直线，每个都会有个轨道的东西。我们说的轨道，就是说我们所有的航天器都是在引力的作用下，我们在地球附近，是在受地球的引力影响，绕着地球画一个圈，可能是圆也可能是椭圆。而我们飞火星的过程中，我们要脱离地球的引力，绕着太阳画一个椭圆，那个我们叫环太阳轨道。具体来讲的话，我们去火星，大概可以分这样几步。首先，它是（被）打（推进）到一个，我们叫地球停泊轨道，这样一个轨道上，它的作用是绕着地球转圈。首先第一步是要这个探测器绕着地球转圈，为什么不能直接去火星呢？
这个事儿很有意思，就是为什么不能直接去火星。我们到目前为止，还没有这种火箭能够一次就把这个飞船打（发射）到火星上去。我们先要在地球附近先慢慢加速，等它攒够了能量，而且找准了时机，这个时候我们再进行二次点火，往火星飞。从地球飞到火星，这个过程通常要八个月。火星的探测器从地球一路到火星，这到底中间有多难？我们要在这么远的距离上，把一个探测器准确地打（推进）到火星附近，这个本来就是一个非常有挑战（性）的工作，它的难度相当于从北京把一个高尔夫球，打到纽约的高尔夫球场的一个球洞里。那么在这八个月的过程中，会是一路顺风吗？空间天气，它主要是由太阳爆发产生的这些电磁扰动，还有高能粒子。这高能粒子对航天器是非常有害的，它主要是一个是影响航天器的工作状态，还有一些是比方说生成放电，它就会把器件击穿，在人类历史上很多次，出现过这种因为空间天气影响而造成的航天事故。那么即将就要抵达火星了，这个时候我们的探测器应该飞的速度也很快，那么快要到达火星之前，我们需要做些什么吗？
先是要刹车，要把它速度减下来，如果它速度不减速的话，它就会从火星上面嗖一下飞过去。擦肩而过。擦肩而过，给它一个力量，把它速度减下来，让它被火星的引力捕获，成为绕着火星转的一颗火星的人造卫星。那怎么样实现在太空当中减速呢？高铁进站要刹车，对吧，速度能减下来。探测器上也没有刹车配置吧。其实探测器上会带很多火箭，这个时候一般会用一个比较主要的火箭，因为这个时候需要刹车，需要的能量还是挺大的，这个时候用一个主火箭，来把它的速度减下来，进入环绕火星的轨道。减速也是通过一枚火箭来完成的。好，我们现在减速了，已经进入到了火星的轨道了，接下来需要做什么？接下来可精彩了，如果要着陆，要登录火星的话，你要有一个黑色七分钟的说法。黑色七分钟，为什么这七分钟是黑色的？这个过程可以说是重重风险。就所有的意外都可能发生在这七分钟里。首先是火星上面也有大气，大气会摩擦产生热量，热防护这是第一关。第二关是即使不防护，火星探测器在落下火星的过程中，它受火星的重力作用往下落，它会加速，如果它一直加速，那就是直接撞向火星，这叫硬着陆。我们肯定不会选择这种硬着陆，硬着陆就撞坏了呀，我们需要软着陆，需要把速度控制下来，这个速度要控制得非常精准，这个过程有点像我们足球运动员的有项技术叫停球。就要把那个球稳稳地停在脚上，你这个时候如果你缓冲的力道太大了，就会把着陆器推回去，或者把足球给踢飞了。那如何实现精准地停球，咱都能够有什么样的技术手段加入到这个过程当中？
这是一个叫可变推力的发动机，就是发动机的推力，它是可以变化的，我们可以来用程序来控制它，变化的大小。如果这时候飞船或者着陆器，它落的速度太快，我们就把它推力变大一点，让它把速度减下来。如果这个时候我们发现我推力过大，还有火星着陆器要被推上去了，我们就把这个力量慢慢减小，直到它到一定的高度，我们把发动机关掉，让它落下来，这是一种方式。除了这种方法之外，还有别的方法也可以实现我们稳稳当当地落在火星的表面吗？这个方法我记得勇气号就是这么干的，它在探测器周围包了一圈，像篮球一样的气囊。安全气囊。安全气囊，就让这个安全气囊着陆下去，当然了它中间其实前面也用了火箭反推，然后用了降落伞，因为火星上也有一些大气，火星上可以用降落伞，它把这个速度，减到一定的程度之后，然后再用安全气囊抛出来，这个过程非常非常有趣。这个气囊要设计得非常精巧，跟汽车的安全气囊是两回事吧。它关键是这个材料，第一它的材料非常轻，所有上天的东西都非常轻，一克可能就要花一克黄金的价格，才能把它送上天。那确实很贵。
第二它又要轻，强度又要高，因为强度如果不够撞（高），直接撞到火星表面的岩石上，撞破了，也起不到保护。勇气号当年是蹦蹦跳跳地溅（弹）了好远。那么从月球上的着陆，跟火星上的着陆相比较的话，两者之间会有什么不同吗？最大的不同还是距离上的不同，由于跟火星的距离，当这个探测器到达火星的时候，它跟地球的距离非常遥远，所以我们要从地球上及时地去实时地控制它，几乎是不可能的。距离的问题，导致了最大的困难，那么还有火星的引力，还是要比月球要大一些，那么它对航天器的引力加速要大一些，那么对航天器的速度的控制的要求还是要严格一点。在探索火星的这条路上，第一要能出得去，第二要能停得下，第三跟探测器之间的通讯，还要能听得见。最后再和刘茜老师展望一下，在您看来，我们在探索火星的这条路上，还可以收获到什么？怎么说呢，其实对火星的探索，在历史上就为人类的认识宇宙，展开了好多的新大门。另外，对火星的了解，其实有助于我们了解地球上的过去。实际上我们可以从探测的过程中来穿越时空，看看行星地质的演化。是的。刘老师，在您看来，我们去探测火星的意义是什么？在我看来，我想用刘慈欣，就是我们国家著名的科幻作家的一句话来总结，他是这样说的，在人类未来无数种的可能中，不管人类达到怎样的繁荣，那些没有星际旅行的未来，都是暗淡的。这真是一个令人充满期待的未来，感谢二位专家的精彩解读，也感谢电视机前各位观众朋友的收看，今天这一期《透视新科技》就到这里结束了，下期我们再见。
