作者：范開、魏勇
作者簡介：魏勇研究員，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所。
寫在前面
作為中國首個(gè)火星探測任務(wù)，“天問一號(hào)”火星探測是 2021 年國內(nèi)最被公眾關(guān)注的科學(xué)大事件之一?！翱茖W(xué)探索獎(jiǎng)”特別邀請了“天問一號(hào)”首席科學(xué)家助理、國科大行星科學(xué)教授、2020 年“科學(xué)探索獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)人魏勇開設(shè)專欄‘行星學(xué)者聊火星’，解讀火星探測任務(wù)在各個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的科學(xué)進(jìn)展。
2021 年 2 月，我國自主研發(fā)的首顆火星探測器“天問一號(hào)”歷經(jīng) 6 個(gè)多月，跨越 4.65 億公里成功抵達(dá)火星?；仡欀暗南盗形恼?，“天問一號(hào)”的主要科學(xué)任務(wù)包括調(diào)查火星表面環(huán)境進(jìn)而理解火星大氣的演化過程。在我國“天問一號(hào)”成功發(fā)射之前，國際火星衛(wèi)星探測任務(wù)主要由美國、前蘇聯(lián)和歐洲的大型航空航天機(jī)構(gòu)主導(dǎo)。
它們的研究結(jié)果顯示，在約 40 億年前，火星表面曾經(jīng)存在過湖泊與海洋，但是今天的火星表面卻無比干涸，其表面形貌特征與我國甘肅、青海、新疆等地的雅丹等風(fēng)蝕地貌類似。為什么地球的表面仍然存在著海洋而火星的湖泊卻不見了呢？地球的未來可能像如今的火星一樣干涸嗎？這些有關(guān)“火星表面液態(tài)水的去向”問題成為科學(xué)家關(guān)注的重中之重。
圖 1：火星、地球沖積扇衛(wèi)星照片對比圖
Credit：NASA（左），ESA（右）
如果把火星與地球?qū)Ρ?，可以發(fā)現(xiàn)不少差異，其中，由兩點(diǎn)區(qū)別尤其引人矚目：
火星質(zhì)量更小、重力僅為地球的 0.38；
火星缺乏內(nèi)稟磁場，不像地球的地磁場能夠延伸至地表 50，000 公里以上的高空。
引力更小，意味著火星表面的水、干冰通過蒸發(fā)、升華進(jìn)入火星大氣后，更容易擴(kuò)散至高空、被太陽輻射電離，分解成 H+、O+、CO+、CO2 + 等帶電粒子；而火星又缺乏類似地球的“全球地磁場”，這些高空中的帶電粒子在火星向陽面 400 至 600 公里的高度即可進(jìn)入太陽風(fēng)、被太陽風(fēng)電場加速，最終逃逸損失至行星際空間。這一過程，稱為“離子逃逸”，是導(dǎo)致火星表面水成分和大氣損失的重要原因之一，也是歐洲航天局“火星快車”（Mars Express，2003 年）、美國國家航空航天局（NASA）“火星大氣與揮發(fā)物演化”（Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN，2013 年）任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)。
圖 2：MAVEN 逃逸離子觀測結(jié)果
Credit：NASA
驅(qū)動(dòng)離子逃逸的主要能量來源是太陽輻射和太陽風(fēng)。當(dāng)太陽風(fēng)條件增強(qiáng)時(shí)，火星磁層的離子逃逸速率也會(huì)成倍上升：譬如中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所魏勇研究員 2011 年的研究結(jié)果顯示，當(dāng)太陽風(fēng)動(dòng)壓增強(qiáng) 2 至 4 倍時(shí)，火星全球離子逃逸速率升高一個(gè)量級(jí)。此外，當(dāng)太陽活動(dòng)水平較強(qiáng)時(shí)，經(jīng)常伴隨高強(qiáng)度的太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射使火星處的太陽輻射、太陽風(fēng)動(dòng)壓大幅增強(qiáng)。但是，不論是 Mars Express 還是 MAVEN 都是單顆衛(wèi)星環(huán)繞火星開展就位測量、其衛(wèi)星的軌道周期長達(dá) 4~6 個(gè)小時(shí)，時(shí)長遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于火星磁層中的離子逃逸現(xiàn)象對太陽爆發(fā)事件的響應(yīng)時(shí)間。
圖 3：MAVEN、EscaPADE 衛(wèi)星探測軌道示意圖
Credit：NASA
另外，單顆衛(wèi)星在環(huán)繞火星的過程中也無法同時(shí)檢測太陽風(fēng)和火星磁層的變化 —— 當(dāng)探測器位于太陽風(fēng)中時(shí)，便失去了磁層離子的信息；而當(dāng)飛船進(jìn)入磁層，則無法監(jiān)控太陽風(fēng)的變化，也就無法呈現(xiàn)火星磁層對太陽風(fēng)參數(shù)變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)，所以，為了彌補(bǔ)單顆衛(wèi)星的探測局限，NASA 計(jì)劃于 2024 年開展“逃逸與等離子體加速及動(dòng)理學(xué)探索者”（The Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）雙衛(wèi)星火星探測任務(wù)，簡稱“逃逸探索者”（EscaPADE）。
這將是 NASA 繼 1969 年之后的第二次火星“雙衛(wèi)星”探測任務(wù)，也將是世界首個(gè)對火星空間環(huán)境開展長期環(huán)火探測的雙衛(wèi)星任務(wù)?！疤右萏剿髡摺钡闹饕茖W(xué)目標(biāo)包括：進(jìn)一步理解火星磁層的主要控制因素及這些驅(qū)動(dòng)源對磁層離子流的影響；進(jìn)一步理解太陽風(fēng)向火星磁層的能量、動(dòng)量傳輸過程；進(jìn)一步理解火星大氣層逃逸/沉降粒子的能量、物質(zhì)交換過程。
如果說的更直觀一點(diǎn)，“EscaPADE”計(jì)劃通過兩顆衛(wèi)星在火星磁層內(nèi)、外的同步探測，建立太陽風(fēng)、太陽輻射的能量注入與火星離子逃逸速率之間的量化關(guān)系，嘗試性地探索太陽平靜期和太陽風(fēng)暴期間火星大氣中的水、二氧化碳逃逸損失的具體數(shù)額和物理機(jī)制，最終，將當(dāng)前的觀測結(jié)果用于反演過去 40 余億年間“青少年”太陽對火星離子乃至全球水冰、大氣逃逸的演化過程。
“EscaPADE 任務(wù)”單個(gè)探測器重量小于 90 公斤，軌道近火點(diǎn) 200 公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)根據(jù)任務(wù)不同階段依次為 7000 公里和 5660~8685 公里，衛(wèi)星軌道周期約 4~6 個(gè)小時(shí)。
圖 4：“EscaPADE”雙衛(wèi)星探測計(jì)劃
Credit：Lilis et al。2020
為了克服之前單顆衛(wèi)星無法多點(diǎn)同時(shí)探測的不足，“EscaPADE”兩顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)將開展兩種飛行模式：
同軌道一前一后的“雙星伴飛”；
兩軌道高差約 3000 公里的“高低搭配”。
“雙星伴飛”模式既能同時(shí)觀測空間尺度小于衛(wèi)星間隔的磁層動(dòng)力學(xué)過程，也可以在同一位置獲取兩顆衛(wèi)星依次跨越的短時(shí)間尺度信息，因此這一模式可有效區(qū)分觀測現(xiàn)象的空間分布和時(shí)間演化。而另一種模式：“高低搭配”的飛行模式則能夠使兩顆探測器分別位于火星上游太陽風(fēng)和磁層、電離層獲取同時(shí)段觀測數(shù)據(jù)，獲取近火空間環(huán)境對太陽風(fēng)條件變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
Credit：Lilis et al。2020
每顆 EscaPADE 衛(wèi)星計(jì)劃攜帶 3 種科學(xué)探測載荷：
磁強(qiáng)計(jì)（EscaPADE Magnetometer，EMAG）；
靜電分析儀（EscaPADE Electrostatic Analyzer，EESA）；
朗繆爾探針（EscaPADE Langmuir Probe，ELP）。
這些載荷將圍繞火星空間環(huán)境中的磁場、熱和超熱離子/電子能譜、等離子體密度、55~130 納米太陽 EUV 輻射強(qiáng)度和飛船電勢開展測量。
自從 1962 年蘇聯(lián)嘗試發(fā)射第一顆火星探測衛(wèi)星至今，人類開展的火星飛掠或就位探測任務(wù)已有近六十年的歷史，共計(jì) 49 次探測。這些探測計(jì)劃中，僅 1969 年“水手 6 & 7”號(hào)為“雙衛(wèi)星”探測任務(wù)外，其余均為單顆衛(wèi)星或單衛(wèi)星搭載著陸器的探測模式。而 50 多年前的“水手 6 & 7”雙衛(wèi)星探測計(jì)劃，僅僅是兩顆衛(wèi)星配合飛掠火星、未能對火星空間環(huán)境開展長時(shí)間的觀測。
“EscaPADE”雙衛(wèi)星探火計(jì)劃預(yù)計(jì)環(huán)繞火星開展長達(dá)兩年的觀測，這一任務(wù)不僅是人類歷史上首個(gè)對火星空間環(huán)境開展長時(shí)間檢測的雙衛(wèi)星任務(wù)，也將為火星大氣逃逸和火星演化歷史等一系列問題帶來新的突破。
圖 6：2018 年“BepiColombo”雙衛(wèi)星水星探測任務(wù)
Credit：JAXA
此外，歐洲航天局與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）合作開展的“貝皮科倫布”（BepiColombo）水星雙衛(wèi)星探測計(jì)劃已于 2018 年成功發(fā)射、預(yù)計(jì)將于 2025 年抵達(dá)水星?！癇epiColombo”也將是人類歷史首次開展的水星“雙衛(wèi)星”探測任務(wù)?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，針對內(nèi)太陽系三顆類地行星根據(jù)具體科學(xué)問題如：火星大氣逃逸、金星“溫室效應(yīng)”、水星磁層開展多衛(wèi)星聯(lián)合探測的時(shí)代，指日可待。
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