星空万象

2021年5月15日，天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。作为地球在太阳系的“行星近邻”，火星上首次留下中国人前来拜访的印迹。自古以来，变幻莫测、荧荧如火的火星，在星空中的“傲娇”身姿，吸引了人类关注的目光。从颜值到性格，火星浑身上下都充满了科学谜团，这正是火星最大的魅力所在。

北半球上方火星影像。北半球影像由“天问一号”中分辨率相机于北京时间2021年3月18日拍摄，此时环绕器轨道高度约1.15万千米。图像中，火星呈“月牙”状，表面纹理清晰。新华社发（国家航天局供图）

火星大气和气候存在许多研究难点

据著名天体与地球化学家、中国科学院院士欧阳自远在其主编的《火星科学概论》一书中介绍，对于任何行星而言，要了解其形成与演化，首先必须要了解其表面与空间环境、形貌构造、物质成分和内部结构这四大科学内涵。

人类开展火星探测的科学聚焦点，首先是火星表面与空间环境。因为对于火星航天器、科学仪器，乃至未来登上火星的航天员来说，火星空间辐射环境异常危险。

这张自然色照片反映了火星的真实颜色。

火星空间辐射的来源主要有两个：银河宇宙线和太阳高能粒子事件。由于火星大气密度只有地球大气的1%，且火星没有任何全球性的内禀磁场来阻止高能粒子的“轰击”，火星探测器等很容易受到空间辐射的损害。

也正是因为没有全球性内禀磁场及其保护，近火星的空间环境与地球空间环境明显不同，火星大气直接受到太阳风等“侵蚀”。尽管目前对火星大气已有相当了解，但有关火星大气及火星气候，还存在许多研究难点。

移民火星后，人们可能不得不在地下的庇护所中躲避辐射。图片来源：Phys.org

火星大气的形成与演化机制，一直是国际火星研究的核心问题。探寻火星大气是否也像地球大气层那样，存在对流层、平流层等层次结构，是火星表面与空间环境研究的重要内容。

火星上频繁发生的强大尘暴，是火星大气运动的一个特色。火星风场的特性及其短期、长期的时空变化规律、火星尘暴形成与扩散机制、控制因素、活动规律等，是目前火星环境研究的热点。

尘暴（dust devil）图片来源：NASA

太阳风与火星大气的耦合机制，目前在学术界也存在争议。学术界大多认为热辐射是火星大气运动的主要驱动力，但电化学的重要作用也得到越来越多的认可。

火星的形貌构造、物质成分等都待研究

火星的“颜值”——地形地貌与地质构造，是外力和内力综合作用的结果。

火星平坦的北半球与凹凸不平的南半球，反映出怎样的地质作用？布满火星表面的古水流体系，是在什么时候、怎样形成的？火星上的古河床、熔岩流、风蚀构造等地貌特征，反映了火星地质演化历史的哪一个阶段、什么样的气候特征？

国家航天局发布3幅由我国首次火星探测任务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）

火星上布满了各种类型的环形山，哪些是撞击成因，哪些是火山成因？其大小分布等反映出不同历史时期怎样的撞击历史？这些撞击历史对火星自身演化进程有多大影响？对包括地球在内的其他类地行星又有什么启示？

火星岩石和矿物种类有多少？分布情况如何？特别是沉积岩含水矿物的分布情况如何？暴露在火星表面的这些物质，受到太空风化、流水侵蚀等外界作用的何种影响？这些反映火星在其漫长的地质历史时期如何演变的信息，目前科学家知之甚少。

这是国家航天局公布的“天问一号”拍摄的高清火星影像图。新华社发（国家航天局供图）

与所有类地行星一样，火星表面同样覆盖着一层松散堆积物，即通常所说的土壤层。它不但是火星外壳参与外动力地质作用最活跃的部分，更是火星内部物质演化在其表面的最终体现；它是了解火星化学演化历史最直接、最基础的样本，是火星在其地质史上水的作用载体，更可能存在生命的信息储存库。因此，火星土壤成分、组成结构、厚度及空间分布，也是目前火星探测的重点。

火山活动是内动力地质作用的主要表现之一。迄今，人类已在火星表面发现了为数众多的火山，有的被认为是太阳系内最大的火山，有的火山目前还在活动，这说明火山活动的强烈性和频繁性，可能是火星地质作用的一个特点。

埃律西昂平原上的一处火山熔岩，堆积出绳状外观，原图为黑白照片且无比例尺。图源：NASA

火星地震也是目前火星探测中重要的科学问题。地震主要是新构造活动的表现，也是火山活动的表现，通过火星与地球地震活动的比较性研究，可进一步综合研究固体行星外壳活动的最终动力来源。

到火星探寻生命，回答人类“终极追问”

茫茫宇宙，我们的地球是不是唯一存在生命的星球？人类的这一“终极追问”，也希望能到火星上寻找答案。火星上是否存在、或者曾经存在生命物质？一直都是火星探测的热点与重点，也是人类开展火星探测的基本出发点。

寻找火星岩石与土壤中可能存在的微生物或生物化石，是解决这一科学谜团的关键。探寻火星大气和土壤中的有机组分，如生物成因的甲烷，能够为火星生命存在与否提供重要佐证。开展与生命信息相关的综合性探寻与分析，是探索火星生命物质存在与演化的延伸。

例如，极地是火星上气候比较稳定而磁场空间辐射环境比较复杂的特殊区域，其冰盖中，保存着有关大气、水等环境演化的历史记录。因此，冰盖的成分、冰层的结构、厚度分布活动过程及控制因素，也是目前国际火星探测的热点之一。

火星沉积岩和含水矿物的种类及其分布，是了解火星过去水体发育程度的一个重要指标。水体的发育程度是探索火星生命的重要内容，火星表面古河道体系的大小规模和分布规律，对于理解火星水体及其发育程度非常重要。结合地形地貌特征，就可以了解火星水的演化历史、消失机制，对于开展火星地貌研究具有重要科学意义。

这是美国国家航空航天局火星勘探轨道飞行器（MRO）2011年在轨道上拍摄的火星同一区域的变化，照片显示坑壁上流动的液体痕迹在从晚春到早秋的这段时间里，变得更长且颜色变暗了。这些都是火星表面温暖季节出现液态水流动的证据。

我国对火星开展全球综合探测和重点地区精细探测

据介绍，我国首次火星探测的科学目标，是通过环绕探测，开展火星全球性和综合性的探测；通过巡视探测，开展火星表面重点地区高精度高分辨率的精细探测。具体科学目标包括：

研究火星形貌与地质构造特征，探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区的高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化分析；研究火星表面土壤特征与水冰分布，探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，探寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究。

这是国家航天局公布的“天问一号”拍摄的高清火星影像图。3月4日，国家航天局发布3幅由我国首次火星探测任务天问一号探测器拍摄的高清火星影像图，包括2幅全色图像和1幅彩色图像。新华社发（国家航天局供图）

研究火星表面物质，识别火星表面岩石类型，探察火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析；研究火星大气电离层及表面气候特征与环境特征，探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律的研究；研究火星物理场与内部结构，探测火星磁场特征，开展火星早期地质演化历史与火星内部质量分布和重力场研究。

浩瀚星空，人类的探索永无止境。随着天问一号探测器着陆火星，我国星际探测也实现了从地月系到行星际的跨越，在艰辛而浪漫的探索宇宙奥秘征程中，迈出了重要一步。（新华社记者张建松）

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