火星上的湖泊去哪儿了

写在前面

作为中国首次火星探测任务，“田文一号”火星探测是2021年中国最热门的科学事件之一。“科学探索奖”特别邀请“田文一号”助理首席科学家、国立科技大学行星科学教授、2020年“科学探索奖”获得者魏勇，开设“行星学者谈火星”专栏，解读火星探测任务在各个关键时间节点的科学进展。

2021年2月，中国自主研制的首个火星探测器“田文一号”在6个多月的时间里，成功抵达火星4.65亿多公里。回顾之前的系列文章，“田文一号”的主要科学任务包括调查火星表面环境，进而了解火星大气的演化过程。在中国“田文一号”成功发射之前，国际火星卫星探测任务主要由美国、前苏联和欧洲的大型航天机构主导。

他们的研究结果表明，大约40亿年前，火星表面曾经存在湖泊和海洋，但今天的火星表面极其干燥，其表面形态与甘肃、青海和新疆的丫蛋和其他风蚀地貌相似。为什么海洋仍然存在于地球表面，而火星上的湖泊却消失了？地球的未来会像今天的火星一样干燥吗？这些关于“火星表面液态水的去向”的问题，成为了科学家们的头等大事。

图1:火星和地球冲积扇卫星照片对比。

Credit:NASA，ESA(右)。

如果你把火星和地球比较一下，你会发现很多不同，其中有两个差异特别明显。

火星质量较小，引力只有地球的0.38倍。

火星缺乏内在磁场，不像地球的地磁场可以延伸到地表以上5万多公里的高度。

较小的引力意味着火星表面的水和干冰，在蒸发升华到火星大气中后，更容易向高空扩散，被太阳辐射电离，分解成H、O、CO、CO2等带电粒子。另一方面，火星缺乏类似地球的“全球地磁场”。这些高空中的带电粒子可以在距离火星向阳面400-600公里的高度进入太阳风，被太阳风场加速，最终逃逸并输给行星际空间。这一过程被称为“离子逃逸”，是导致火星表面水分成分和大气流失的重要原因之一，也是欧洲航天局“火星快车”和美国国家航空航天局“火星大气和挥发性演化，MAVEN，2013”任务的主要科学目标。

图23360 maven逃逸离子的观测结果。

Credit:NASA

图3:MAVEN和EscaPADE卫星探测轨道示意图。

Credit:NASA

此外，单颗卫星在绕火星运行时，无法同时探测到太阳风和火星磁层的变化。航天器进入磁层时，无法监测太阳风的变化，也无法显示火星磁层对太阳风参数变化的实时响应。因此，为了弥补单颗卫星的探测局限性，NASA计划在2024年发射“EscaPADE和等离子体加速与运动学探索者”的双卫星火星探测任务。

这将是NASA继1969年之后的第二次火星“双星”任务，也将是世界上第一次对火星空间环境进行长期环火探测的双星任务。“逃逸探测器”的主要科学目标包括：进一步了解火星磁层的主要控制因素以及这些驱动源对磁层离子流的影响；进一步了解火星磁层在太阳风方向的能量和动量传递过程；进一步了解火星大气中逃逸/沉降粒子的能量和物质交换过程。

说得更直观一点，“EscaPADE”计划通过对火星磁层内外两颗卫星的同步探测，建立太阳风和太阳辐射的能量注入与火星离子逃逸率之间的定量关系，尝试探索太阳平静和太阳风暴期间火星大气中水和二氧化碳逃逸损失的具体量和物理机制。最后，利用目前的观测结果，反演过去40亿年“少年”太阳对火星离子乃至全球水冰的影响。

EscaPADE任务中单个探测器重量不到90公斤，火点附近轨道200公里，远火点根据任务不同阶段分别为7000公里和5660-8685公里，卫星轨道周期约为4-6小时。

图4:“EscaPADE”双卫星探索计划。

Credit:Lilis等人.2020

为了克服单颗卫星无法同时探测多个点的不足，两颗卫星“EscaPADE”预计将进行：两种飞行模式。

“双星伴飞”一前一后同轨运行；

两条铁轨的高度差约为3000公里。

“双星伴飞”模型不仅可以同时观测空间尺度小于星间间隔的磁层动力学过程，还可以获得两颗卫星在同一位置依次交叉的短时尺度信息，因此该模型可以有效区分观测现象的空间分布和时间演化。另一种模式，“高低搭配”飞行模式，使两个探测器分别位于火星上游的太阳风、磁层和电离层，获得同步观测数据，获得近火空间环境对太阳风条件变化的实时响应。

Credit:Lilis等人.2020

每颗EscaPADE卫星计划携带三种：的科学探索有效载荷。

磁力仪；

静电分析仪；

朗缪尔探针。

这些载荷将围绕磁场、热和超热离子/电子光谱、等离子体密度、55~130纳米的太阳EUV辐射强度和火星空间环境中的航天器电势进行测量。

自从1962年苏联试图发射第一颗火星探测卫星以来，人类已经进行了火星探测。

飞掠或就位探测任务已有近六十年的历史，共计 49 次探测。这些探测计划中，仅 1969 年“水手 6 amp; 7”号为“双卫星”探测任务外，其余均为单颗卫星或单卫星搭载着陆器的探测模式。而 50 多年前的“水手 6 amp; 7”双卫星探测计划，仅仅是两颗卫星配合飞掠火星、未能对火星空间环境开展长时间的观测。

“EscaPADE”双卫星探火计划预计环绕火星开展长达两年的观测，这一任务不仅是人类历史上首个对火星空间环境开展长时间检测的双卫星任务，也将为火星大气逃逸和火星演化历史等一系列问题带来新的突破。

图 6:2018 年“BepiColombo”双卫星水星探测任务

Credit:JAXA

此外，欧洲航天局与日本宇宙航空研究开发机构合作开展的“贝皮科伦布”(BepiColombo)水星双卫星探测计划已于 2018 年成功发射、预计将于 2025 年抵达水星。“BepiColombo”也将是人类历史首次开展的水星“双卫星”探测任务。可以预见，在不远的将来，针对内太阳系三颗类地行星根据具体科学问题如:火星大气逃逸、金星“温室效应”、水星磁层开展多卫星联合探测的时代，指日可待。

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