火星上释放的这种气体,或许证明那里埋藏着生命活动
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发布时间：2022-11-01 15:01
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时间：2023-10-20 17:36
出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中科院比较行星学卓越创新中心研究员赵宇鴳演讲实录：
当我们的探测器离开地球轨道，去到月球，甚至去到地球的近邻，火星、金星、水星的时候，这些所有的科学研究都衍生出一个新兴的学科，就是行星科学。
行星科学非常年轻，而且它非常依赖于航空航天的发展，可以让探测器去到行星体的表面。
而另外一个方面是，我们很依赖的其他基础学科的发展，能够推动行星科学。
行星科学不止研究行星体本身，还有行星的卫星跟整个行星系统。
对地球人来说，最熟悉的就是太阳系，大家看太阳系全家福的时候，可以看到什么
你会发现我们的四个类地行星非常小，几个巨行星都非常大，而且在这个行星体系里面，每一个行星体看着都不太一样。
它们是怎样形成的？它们的形成有先后顺序吗？它们为什么是这样排布的呢？
这是行星科学想要解决的问题。
当我们把地球看作一个行星，再来看熟悉的地球的时候，会感觉到地球的神奇，因为地球有海洋、有生命。
从它产生到现在，一直保持着一个很恒定的温度，这个温度能够保证生命在地球繁衍生息，所以这是非常不容易的事情。
我们对太阳系的认识还非常粗浅。
一个非常好的例子就是，我还在上小学的时候，我们的教科书上写着整个太阳系有九大行星，现在小朋友的教科书里已经变成八大行星。
那这个被降级的冥王星到底是怎么回事呢？
一开始的时候，冥王星被发现，然后被列为九大行星的时候，其实很多科学家一直对它有疑问，因为它的轨道和大小不符合其他八大行星的规律。
2005年我们发现了一颗新的在柯伊伯带的阋神星，阋神星的大小比冥王星还要再大一些，它也有一个小卫星。
如果阋神星也是行星的话，我们发现柯伊伯带还有好多类似它们的天体，那整个行星的家族就会变得太过庞大。
所以国际天文*合会重新定义了行星，现在是八大行星，其他那一类处于小行星带和柯伊伯带的比较大的行星，我们称为矮行星。
随着我们对行星的探测逐渐深入，我们对太阳系的认识还将会有新的变化。
除了地球以外，太阳系的行星体，我们现在研究程度最深的是火星，为什么我们总是对火星感兴趣呢？
火星除了能够告诉我们整个太阳系的形成和演化以外，它还是地球的一面镜子，可以帮助我们理解地球的 历史 。
我们的地球有46亿年，但是我们对地球非常早期的 历史 却很不了解，因为地球很活跃，把那些过去的 历史 记录都磨灭了，我们去哪里找这些古老的记录呢？
火星的表面就可以，因为火星地表就是 完全裸露的岩石，而它的整个面积和地球现在的陆地面积是一样的，所以它的上面有很多古老的记录，我们可以去寻找。
另外就是地球上有生命，是不是整个太阳系还有其他的星体也有生命呢？
这也是我们需要去了解的，地球的生命到底是怎么产生的。
火星的早期跟地球的早期很像，火星有没有产生生命呢？生命是不是从非生命变成了现在的生命体？
这些都是我们探测的时候要去解决的问题。
另外就是地球的未来，因为火星原来跟我们很像，可是现在它的环境变得干旱又贫瘠，我们的地球以后会不会变成它的样子，这也是我们想要解答的问题。
我们有很多的探测器，在过去60年一直持续不断对火星进行探测。
整个火星的探测可以分为两个时期，一个是1996、1997年。
在那之前有很多探测器，可是那些探测器主要是为了解决探测这件事情，就是我们能够抵达火星，这个过程有很多次的失败，那时候的成功率就是30%左右。
但是到了90年代以后，我们对整个火星探测的技术变得越来越成熟，我们可以去到更多我们原来想去，但是又去不了的地方。
而且火星探测器的设计寿命也越来越长，比如一些只有90天的设计寿命或者一年设计寿命的探测器，实际持续工作了十几年，它们给了我们非常丰富的火星数据。
从这个图上可以看到整个火星探测器的大家族，这个大家族里面大部分的探测器是遥感探测，也就是有一个轨道器在火星表面环绕，采集数据，传回地球。
但是还有一部分探测需要去到火星表面，去到火星表面的着陆任务相对少一些，为什么呢？
主要是着陆很难，在火星表面如果要成功着陆需要考虑火星的大气，还有减速等很多的问题，所以能够成功登陆火星是很不容易的事情。
但是成功着陆的探测器很重要，因为它们告诉了我们很多我们在遥感上面看不到的东西。
我们在遥感上面能够看到全球，可以看到公里级、米级的尺度。
但是我们到了火星表面，可以看到厘米、毫米，甚至微米级的尺度，可以告诉我们很多很精细的信息。
这就是现在已有的火星探测器着陆在火星，如果不算现在还在路上的“毅力号”、“天问一号”，现在一共有8个火星探测器。
火星那么大，我们的探测器到底要去哪里，是怎么决定的呢？
我们首先要考虑安全，特别是在早期的时候，我们总是往北面，相对比较低缓的平原地方去着陆。
地表不能有太多岩石， 海拔不能太高，如果太高的话，探测器没有足够的大气来缓冲它的速度，很容易失败。
还有需要足够的太阳光能提供能源，让火星车工作，所以通常都是在很窄的纬度区域着陆。
但是后来从“好奇号”开始，美国开始使用核能的能源，它不再依赖于太阳能。
所以这个时候火星车的性能和移动的范围大大增加了，但我们的“天问一号”还是以太阳能作为主要能量来源。
跟我的工作密切相关有几个有趣的火星车，第一个就是2004年的“机遇号”。
“机遇号”火星车当时的任务是寻找水，因为那个时候我们从遥感上面看到火星上有很多像河流、冲积平原这样的地形地貌，到底火星原来有没有水，现在有没有水？
这是这些探测器要去解决的问题。
当时“机遇号”去到的这个地方在整个地图的正中心，所以这里叫子午线平原，这个地方从遥感上，大家可以看到几百公里很亮的区域，这个区域是什么呢？
都是赤铁矿，是地球的一种铁氧化物。
它是很稳定的，但通常只在有水的环境中才能生成，所以如果我们探测这里，很可能找到那个时候，大概35亿年前火星水的证据，所以“机遇号”就去到这里。
它着陆以后发现这个地方除了我们之前想象的岩石以外，还有很多小小的颗粒，这小小的颗粒很像我们平时吃的“保济丸”，大概几毫米的样子，但它满地都是。
首先火星车要知道它到底是什么东西。
所以火星车在上面右边的这个图，找了一个地方。
左边的区域基本上没有这个颗粒，右边有这个颗粒，整个探测仪大概有4厘米左右。
它就在没有的地方照一下，在有的地方拍一下，然后对比两个成分上的差别，后来发现这些也是赤铁矿，也是铁氧化物。
那就是说这个地方不单有我们从遥感上面看到大范围的铁氧化物，还有这种小小颗粒的铁氧化物，而且它们是在水环境里形成的。
在距离“机遇号”火星车着陆点不远的地方有一个小小的坑，这个坑不是很陡，所以它就很勇敢地走了进去。
它走进去以后就发现，原来这个地方暴露出来的整个坡壁上面，全是这里古老的沉积岩的记录。
所以我们在这里可以看到，最底下是风沙的沉积，中间有很多地下水的作用沉积，最上面是古老的溪流。
这些记录都是35亿年前左右形成的，我们在岩石里面发现了硫酸盐和铁氧化物，这些都是和水的作用密切相关的矿物。
我们的研究关心的事情是，这些小小的赤铁矿到底是怎么形成的？
还有就是这个地方的水到底存在了多久，是几千年、几万年还是几百万年？
这对火星来说差别非常大。
还有就是，整个地方都有赤铁矿的平原是不是都有这样的硫酸盐沉积？如果有的话，那么大范围的硫酸盐是怎么沉积在这里的？
这也是我们在实验室里面努力去解决的一个问题。
另外一个着陆器是“凤凰号”，“凤凰号”跟之前的火星车不一样，它不能移动，但是它带着一个很长的手柄，主要是干嘛呢？
它去挖土，它的着陆点在整个北极冰盖的外围。
我们有一个假设，基于我们现在对火星的认识，发现火星的表面很干旱，很贫瘠，但是它的大气里是有水的。
这些水在很冰冷的情况下会扩散到地表的土壤里，而且很可能会保留在那里，也就是说在距地表几厘米的地方，我们很可能会找到水冰。
所以“凤凰号”的任务就是去证实这个推测到底对不对。
大家看到右边这个图就是“凤凰号”拍摄的，然后这些科学家把眼前看到的变成了一个童话王国，所有的名字都跟童话里的人物相关。
不同的石块，挖的不同的坑都用童话人名命名，可以看到左边有一个叫“三个小熊跟小姑娘”的坑，还有右边叫“白雪公主”的坑。
在这两个坑里面，“凤凰号”发现了两种不同的冰，果然都是水冰。
左边这个图就是在三个小熊那里挖出来的，这种水冰很软，含量占总量的20%、30%，不是很纯的水冰。
而在“白雪公主”这边是很硬、很暗的水冰，这两种水冰本身生成的过程是不一样的，它能告诉我们在过去的几千年，甚至几万年，火星表面的环境是怎样的。
我们特别细看火星的土壤，虽然表面看都是红红、黄黄的颜色，如果放大的话，就像这个图，大概2毫米左右，发现这里面有很多不同的颗粒。
有很多很红的颗粒是非常细的，只有几微米，也有一些更大的颗粒是黑色的，这是火星表面岩石被风化以后形成的，还有一些透明白色的颗粒，那些就是盐。
所以土壤里面含有水分，也含有一些盐类。
“凤凰号”还有一个很重要的发现，它发现这些土壤里面有很高含量的高氯酸盐。
我们都知道现在地球海洋里面有很多盐，这些盐是食盐、海盐，盐里的氯是负1价。
但这个地方的高氯酸盐里氯是正7价，是非常氧化的一种氯的形态，它是怎么形成的？这个很奇怪。
另外就是这个地方的高氯酸盐跟氯盐比例大概有5倍，就是说所有的氯大部分都是高氯酸盐。
这个地方如果有很多高氯酸盐，火星其他地方是不是也是这样子呢？
如果很多地方都是高氯酸盐的话，这个事情就变得很大了，因为高氯酸盐有一个特性，如果把它跟水混合，水可以在零下70度都不结冰。
也就是说在现在火星表面的环境里面，它都还可以保持液态水，甚至在一天的几个小时里面，火星表面现在都还有液态水，这对生命的存在可能就有非常大的意义。
而另外就是因为高氯酸盐含氧酸盐，很多微生物可以把它作为养料进行新陈代谢。
那就是说有这样的环境，又有水，又有养料，很可能火星上如果原来存在生命，它可以用这个东西继续维持它的生活，所以这就让大家对它非常感兴趣。
我们在这里还看到一个例子。
就是“凤凰号”着陆的时候，因为火箭在降落的时候会喷洒飞溅一些土壤，土壤喷洒在着陆杆上面，它就发现，随着时间的推移，围杆上慢慢长出了水珠。
这就是高氯酸盐在吸水，把水固定在那个地方，你看这个水珠，因为火星里的水很少，所以它只能固定在那里，并不太流动。
过了一段时间，等到火星温度上升，变得更加干燥的时候，又会重新脱水，离开火星的着陆杆。
这些盐的存在，也是火星上现在可能存在水的很重要的证据。
我们关心的事情是，这些高氯酸盐到底怎么产生的，是不是到处都是。
而且高氯酸盐、氯酸盐和氯盐他们之间的比例到底是怎么回事，因为这对火星的生命有很重要的指示意义。
还有就是除了“凤凰号”待的地方，其他地方是不是也是类似的。
还有另外一个火星车跟我们的关系很紧密，就是“好奇号”火星车。
这个火星车是迄今为止登陆的最复杂的火星车，也是功能最全面的火星车。
它肚子里面有一个火星样品分析仪，右手边有它的采样器，采集土壤、岩石，把它们筛成粉末，放到它的肚子里照一照、烧一烧，就能知道这里面到底有什么组分。
还有就是“好奇号”火星车，你看它的眼睛里是不是有一束红色激光在往前面的目标探测？
这个就是激光剥蚀探测器，可以往距离目标几米远的地方发射一束激光，我们可以通过光谱看到目标的物质组成。
中国的“天问一号”主要的成分探测器也是类似的，所以“天问一号”虽然可能走得不远，但可以通过远程的探测，知道周边很多物质的组成，这也很重要。
这个地方很早的时候，也就是30多亿年前形成了这样一个坑。
那个时候火星上是有水的，这些水填充了这个坑，慢慢沉积，形成了一套沉积的物质。
沉积物质干涸以后又重新被风沙剥蚀，变成了中间的山峰，这个山里不同的层位有不同的矿物。
“好奇号”还有一个发现，之前我们从地基望远镜看火星大气的时候，发现它的北半球在夏天的时候有很强的甲烷信号释放。
甲烷大家很关心，因为在地球，绝大部分甲烷都是生物的成因。
如果现在火星上还有甲烷在大气里释放的话，那是不是说明火星地底下还埋藏着一些生物活动呢？这个很关键。
还有因为甲烷是一种温室气体，火星很冷，如果有很多甲烷，火星地表的温度可以提升，所以火星的甲烷似乎是个非常重要的事情。
“好奇号”着陆以后就开始探测，可是它在前面8个月什么都没找到。
后来经过很长的时间，经过地球6年，对火星来说是3个火星年的探测，就发现这个地方有甲烷，但是间歇性在释放，而且释放出来不久，很快就在大气里消散。
那就是说火星上现在是有甲烷的，但是在地底下，而且它是间歇性地冒出来。
还有它上来以后很不稳定，火星的大气有一些机制在破坏甲烷，所以它很快就找不到了。
现在我们在实验室也希望通过实验，了解火星上的甲烷和氢气是怎么产生的，对火星的气候到底有什么样的意义。
经过过去60多年的探测，我们已经知道火星上面有水，而且它曾经有符合生物所要的物质和能源。
火星上面到底有没有产生生命？这是我们一直在追寻的问题，这也是2020年“天问一号”跟“毅力号”要去解决的问题。
中国的“天问一号”带着很高级的载荷去到火星的北半球。
我们在这个图上可以看到南面是高地，北面蓝色的区域是低地，中国要去的2号。
大家可以看到2号的区域，长方体的那个部分叫做乌托邦平原，我们去这个地方的原因是这个地方很安全，保证我们的火星车能够成功着陆。
而且可以成功开展探测，这很重要。
因为乌托邦平原上一次人类造访它还是“海盗号”，是上世纪70年代的时候。
现在跟那个时候相比，整个探测器的性能都有了非常大的提升，那个时候“海盗号”是一个着陆器，它不能移动。
但中国的“天问一号”是可以移动的，所以我们也期待它可以告诉我们关于火星表面很多重要的事情。
还有就是，我们在之前60多年的探测里面，对火星表面北半球的了解是很弱的。
因为从遥感上面我们看不太清火星的北半球，它表面有很多尘，很难知道里面到底发生了什么。
但是如果有火星车去到的话，我们就可以通过精细的探测了解这里的 历史 。
我们要在这里了解到底有没有生命的信息，还有地表底下到底有没有水冰，这里面的磁场是怎么变化的。
而且“天问一号”火星车还会跟遥感探测器相互照应，我们可以获得更多新的信息。
我们非常期待“天问一号”能够成功地着陆，并且开展探测。
我们在地面的火星科学家已经开始对可能要着陆的区域进行一些研究，这就是我们发现的着陆的区域和“机遇号”、“凤凰号”、“洞察号”。
它们着陆的区域可能很像，那里非常平坦，上面有很多碎石，我们也很希望能够找到一些原生的岩石，可以告诉我们更多关于火星的 历史 。
“天问一号”只是一个开始，中国还有“天问二号”、“天问三号”将要去往小行星。
还要去往木星探测，去火星，把火星的样品采回来，这些都是未来10年，中国的深空探测要做的事情。
“嫦娥”已经完成了一二三阶段的探测，后面还要去月球建立科研站，还可能要载人探测。
所以在未来的10年到更远的未来，中国的探测器会在深空走得越来越远。
我们也希望在座的各位，还有就是网络前面观看的各位，如果你也对行星科学感兴趣，如果你也有一颗喜欢的星球，欢迎一起加入行星的探测。
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