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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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NASA的火星梦

2016-02-03 15:17:45

以前的科幻电影描述的是几十年或几百年后的故事,但现在的科幻电影仿佛说的就是几年后的现实。

 

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《火星救援》讲述了一个如同“鲁滨逊漂流记”的故事:美国宇航员马克·沃特尼由于一场沙尘暴和他的团队失去了联系,孤身一人留在火星,最后想方设法终于回到了地球。影片以科学知识为轴,以火星为支点,以好莱坞为笔,画下了一个让人浮想联翩的圆。

 

火星真的“火”

火星是太阳系八大行星之一,属于类地行星。它的直径约为地球的53%,自转轴倾角和自转周期均与地球相近,公转时间约为地球的两倍。在西方,火星被称为“战神玛尔斯”,而我国古人则称其为“荧惑”(这也是我国第一颗火星探测器取名“萤火一号”的原因)。

人类对于火星的探索已经进行了数十年,共计42 次探测。NASA自上世纪60 年代开始探索火星以来,在半个世纪里共向火星发射了大约20颗探测器。1965 7 月,“水手4 号”探测器首次飞掠火星,向地球传回了火星特写图片。如今,美国“好奇号”和“机遇号”火星探测车仍在火星表面探索,并不断发回各类新数据。

1962 年苏联火星1 号探测器试图飞越火星开始,到各种描绘火星的科幻电影相继而出,再到NASA 制定的2030 年之后载人登陆火星计划的发布,人类在探索火星的道路上走过了艰难,走出了不凡,今后还将面临更为严峻的挑战。火星已成为除地球之外,人类认识程度最高的行星,甚至胜过已经登陆过的月球。

 

水的意义

限于航天运输能力,除了“旅行者一号”,目前还没有人造物体能够飞出太阳系。而在太阳系内,只有火星的自然环境与地球最相似,它是人类移居外星球的首选目标。

 

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火星侦察轨道器上携带的高解析度成像科学设备拍摄的阿西达利亚平原地形,崎岖不平,充满危险。

 

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电影《火星救援》宇航员冒险进入阿西达利亚平原的Mawrth 陨石坑边缘,但其真实地形却非常平整。

 

2008 7 31 日,NASA“凤凰号”火星探测器在火星上加热土壤样本时,鉴别出有水蒸气产生。20133 月初,NASA“好奇号”火星探测车找到了火星岩石中存在含水矿物质的可靠证据。2013 12 9 日,NASA 公布了“好奇号”拍摄到的火星盖尔环形山图片,科学仪器进行的勘探表明有水的可能性非常大。20159 28 日,NASA 宣布在火星表面发现液态水活动的“强有力”证据。科学家表示,在火星上,不仅仅是两极有已凝固成冰的水,在特定条件下,暖和季节还会出现流动的液态水。

最新证据表明,此前在火星火山口坑壁观察到的神秘暗色条纹,可能与间歇性出现的液态水体有关。来自NASA 卫星的数据证明,这些出现在坑壁上的暗色条纹,可能是含盐水体沉积过程产生的结果。尤为关键的是,这种含盐水体能够改变火星表面水体的冰点与沸点,从而使得液态水体在火星地表的存在成为可能。

火星与地球的距离,以及它的形态,已经是事实存在,如果我们还能确认有水存在,那么无论对寻找外星生命,还是人类移民火星,都具有不同凡响的意义。液态水的存在确保了生物生存的可能,还能为将来的宇航员登陆提供资源,创造生存条件,同时为以后的移民做铺垫。

当然,“液态水”带来的巨大社会影响更加不可忽视,也许所有的火星探测和登陆计划都会因此而发生改变,并引发全人类对火星探索开发的疯狂热潮。

 

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《火星救援》中描述的火星场景与“好奇号”火星探测车传回的照片整体上十分相似

 

靠谱的登陆火星

计划就在被誉为2015 年度最佳科幻电影的《火星救援》火爆放映的同时,NASA 公布了一份人类登陆火星的报告,详细介绍了行动计划。在这份长达36 页、名为《NASA 的火星之旅:开拓太空探索下一步》的报告中,NASA宣称人类不仅要在这颗红色星球上登陆,还要在那里生活数年,并最终建立殖民地。

报告并没有设定登陆火星的具体日期,但宇航局局长查尔斯·博尔登在声明中说,美国“比历史上任何时候都要接近将宇航员送上火星”。具体怎么操作呢?NASA 将登陆火星分为了三个阶段。

第一阶段为“依赖地球”,主要工作集中在国际太空站进行,其中包括人类健康和行为研究、高速通信技术测试、先进防火安全设备测试、下一代太空服的技术测试、3D 打印技术测试,以及类似种植食物和循环利用水的生命支持系统等。

第二阶段叫做“试验场”,主要工作大都在数日即可返回地球的地月空间进行。NASA 计划在数年后开展一系列地月空间载人航天任务,为后续的火星任务做准备。例如,于2018 年在复杂的深空环境中,利用大推力运载火箭发射新一代载人飞船“猎户座”。以及在2020 年发射无人航天器,从一颗小行星表面采集巨石,挪至月球附近供人研究,并测试深空环境居住设施等。

第三阶段被称为“独立地球”,这将完成针对火星邻近区域,包括火星卫星的各类任务,以便最终登陆火星。该计划的目标,是保证宇航员能够在火星表面栖息地和运输飞船中,生活并工作数年,利用火星资源制造燃料、水、氧气和建筑材料,并能够借助先进的通信技术设备,将科研数据和结果传回地球,且将延迟时间控制在20 分钟以内。根据报告显示,NASA 把这一阶段的具体实验时间定为2030年之后。

 

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上图:电影《火星救援》中的宇航员居住地

下图:NASA 建造的人类探索研究模拟舱

 

与此同时,NASA 也开始探讨地月空间载人航天任务,并将此作为载人探索火星整体战略“试验场”阶段的一部分。该任务是当前“依赖地球”阶段和远期“独立地球”阶段之间的过渡,在将人类送往火星之前测试技术并获取经验。NASA 约翰逊航天中心发展项目办公室主管斯基普·哈特菲尔德称,这些任务拥有一个同样的关键目标——测试可用于火星探索的居住舱和相关系统。

 

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左图:电影《火星救援》中沃特尼乘坐的登陆车

右图:NASA 正在地球上测试的火星探测车

 

终极挑战

NASA的报告中,除了给予人们美好的蓝图外,也提出了诸如身体健康、运输物资和太空作业等登陆火星后人类还将面临的诸多挑战。事实上,除了一些技术难题外,科学家认为最严峻的挑战还是如何在长达1100天的长期任务中确保人员安全。前往火星的宇航员会长期生活在微重力条件下,这会增加骨质疏松、肌肉萎缩、视力降低等风险,而高辐射还会降低免疫力、提高患癌几率。

在运输物资方面,飞船入轨后再降落将是一大挑战。2012 年,重约一吨的“好奇号”火星车在降落的最后阶段,采用的是火箭推进式“空中吊车”,用缆索吊着缓缓降下的。如果人类登陆仍使用这种方式,那飞船的重量需要达到2030 吨。而在返回地球时,运输工具则需要先把宇航员从火星表面送入火星轨道,这又是一项艰巨的任务。

 

终极疑问

或许很多人都在想,火星究竟有多大的魅力,能让这么多人为之前赴后继,披荆斩棘。在NASA 看来,探索火星的意义和价值,最显见的就是有可能帮助我们探寻人类的生命起源等本真问题。

 

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在火星上的科普来特斯峡谷陡峭的斜坡上,科学家发现了被称为“季节性斜边纹线”的黑条纹,它们由流动盐水产生。

 

NASA 指出,虽然登陆火星面临重重挑战,但这些问题都是“可以解决”的,丝毫动摇不了他们推动登陆火星计划的坚定决心。正如《火星救援》中的马克·沃特尼那样,在处境十分艰难的环境里,精密计算出怎样最大限度地利用在这颗干旱星球上的时间,准确筹划如何使手头上所有的材料物尽其用,以等到4 年后下次火星任务的到来。NASA 还在其报告中强调:“在太空生活和工作需要面对风险,而火星之旅值得冒险,这是一个可以达到的目标。”

为了能够登陆火星,NASA 正在进行全面的准备,他们目前正致力于开发规模空前庞大的火箭系统,各路子系统也都进入了关键的测试阶段。近日,NASA 甚至还公布了打造全新火箭隔热罩的计划,靠它确保宇航员进入火星大气层时的安全。人们完全有理由期待,《火星救援》有望从科幻电影变成“登陆火星”的前瞻纪录片。

最后,让我们用NASA 提出的四个问题作为本文的结尾,火星是否曾经存在微生物生命?火星是否有一天能够成为人类的家园?宇宙其他地方是否存在生命,地球上的生命如何起源?关于地球的过去、现在和未来,火星能够告诉我们什么?

 

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为了离开火星,马克·沃特尼必须驾车3200千米到达斯基亚帕雷利陨石坑的Ares 4 登陆场,这个布满岩石的地区被称为“阿拉伯高地”。

上图:沃特尼正在测量地形,准备出发;

下图:Ares 4 登陆场所在地真实照片,“阿拉伯高地”被灰尘覆盖,登陆车行动将变得更舒畅。









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