“天问一号”火星车填报了哪些志愿?
2020/7/24 7:00:00 科学大院

    

     2020年7月23号,我国首个独立火星探测任务天问一号搭乘长征五号遥四火箭,从文昌航天发射场成功升空,奔向火星。

    

     笔者有幸小小参与过“天问一号”火星车项目的一小部分测试工作,因此听闻上面这个消息,激动得无以言表,在自己的小房间里来回乱转。正好这几天,今年高考考生的成绩也会陆续公布,考生们未来的人生,都将在填报的志愿中渐渐规划。这两个宏大的规划,在今年有了重合。

     不妨大开脑洞——如果我们把“天问一号”火星车也看作是一位即将迎来大考的考生,他毫无疑问是个理科生。经历了多年的艰苦卓绝的设计、验证和实验,携带着多个学科的技术和心血结晶的他,会选择什么专业?会填报哪些志愿?那我们就要分析一下他到底有什么特长了。

    

     天问一号火星车携带的七种主要的科学有效载荷

     01 地貌学

     作为一台在火星地表实施实地勘测的移动实验室,天问一号火星车理所当然地偏向于地质学及其相关学科。当然,这里的地质,不再是研究“地球大地的性质”,而是推而广之为“火星大地的性质”。

     地貌学是研究地表形态特征及其发生、发展和分布的规律的学科,又称地形学,是地质学与自然地理学之间的边缘学科。这个学科在地球上有着悠久的历史,打从人类出现在地表上,我们就在观察和研究地表。但是,人类对火星的表面形态特征却知之甚少,火星对于我们还是一片陌生而新奇的领域。

     作为人类的最重要的感官——视觉,是我们了解和观察世界最重要的途径。火星探测器作为人类感官的延伸,视觉同样是无比重要的。天问一号火星车的眼睛,就是一对“导航地形相机”。

    

     左:“嫦娥三号/四号”的避障相机,安装在车体围栏下方。地形相机与其相似,但安装在桅杆顶端。右:在轨图像。

     当然,天问一号火星车不可能仅有一对眼睛,为了实现不同的功能,天问一号有很多组相机,分别承担不同的任务,安装在不同的位置。地形相机安装在火星车桅杆的顶端,站得高、看得远、阻碍少,还有一整套的伺服电机配合地形相机的工作,使其能在一定限度上俯仰、偏转,获得更佳的视野。

     火星距离地球非常遥远,遥测信号往返最少也需要6分钟以上的时间,最大则达到一个多小时,地球方面不可能实时操纵火星车。地形相机将负责不断观察和记录天问一号火星车的周边环境,一边配合火星车的自主行走、避障,一边作为科学数据记录下来,在每天的例行汇报中传回地球。

    

     左:好奇号火星车拍摄的火星表面一处岩石露头;右:地球表面常见的岩石露头。可以看出,火星上似乎有被水流侵蚀的痕迹。有时,一张照片,就可以得到很多重要信息。

     结合如今各种先进的图像处理技术,我们将能从这一对地形相机拍摄的照片中解读出大量的信息,了解火星车巡视区域的表层形貌。身怀这样的知识和技能的天问一号火星车,确实是火星地貌学的紧缺型人才,建议当场填报地质学专业的地貌学。

     02 固体地球物理学

     但是天问一号的特长不止于此,他的视线不止停留在表层,更能够深入火星地下深处。现代的固体地球物理学,是用物理学的观点和方法研究固体地球的运动、物理状态、物质组成、作用力和各种物理过程的综合性学科。所谓物理方法,包括了重力、电磁场、机械波(地震波)等等。

    

     天问1号火星车3维艺术图。

     可以看到前方两根胡须:次表层雷达接收天线。

     天问一号火星车,搭载了一套次表层探测雷达,为深入研究火星土壤层、沉积层和冰层等地质结构提供科学数据。次表层雷达地接收天线就像两根胡须,位于天问一号火星车的前部,向左前方和右前方伸出。其通过电磁波,来研究固体火星的特征。

     雷达现在深入我们生活的各个角落,狭义上来讲,就是通过向目标发射电磁波,并测量反射回来的电磁波的特征,来研究目标的特征。我们之所以能够用雷达发现天空中飞行的飞机,就是因为飞机的电导率显著区别于周围的空气,会强烈反射电磁波。

    

     次表层雷达对火星地下成像的示意图

     次表层探测雷达的原理也是一样,火星车将强烈的雷达电磁波向火星地面发射,一部分被地面反射回来,但也有一部分将会透射进去。火星土壤非常干燥,电导率很低,电磁波沿着这样的土壤一直向下传播。当电磁波遭遇与火星土壤电导率显著有区别的界面时,将会发生反射,反射的电磁波会被地面上的火星车接收天线拾取到。水冰、沉积层、金属团块等等,它们的雷达波反射率很高,能产生显著的反射。

     这样,我们就可以观察到火星地表下,大于100米深度的次表层的地层特征,包括含水层、沉积层等等。这些地层特征,可以帮助我们了解火星的地质历史,推广到整个行星的发展变迁。更进一步地,也能为我们将来载人登陆火星,提供自然资源资料。

     这种方法,在我们地球上被广泛用于寻找地下水、溶洞、浅表矿藏、城市管线等,是地球物理学常用的方法。不得不说天问一号火星车在地球物理领域也是颇有慧根的。

     03 地球化学

     很多人都有异于常人的眼睛,比如二郎神有天眼,艾吉奥有鹰眼,葫芦娃二娃有千里眼,宇智波有写轮眼,小鸟游六花有邪王真眼。各有各的天赋,各有各的异能。

    

     邪王真眼可是最强的!

     天问一号火星车也不例外。他携带了一组多光谱相机。这种相机可以对多种光谱进行成像,包括人眼不可识别的红外光,紫外光。从这些多光谱成像里,我们可以探索物质隐藏起来的秘密。

     多光谱相机安装在地形导航相机的中间,也可以辅助地形导航相机的工作。不过,其最主要的工作,是观察不同光谱的火星地表影像,进而研究火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型,探查火星表面次生矿物,开展表面矿物组成分析。

    

     好奇号火星车拍摄的伪色彩照片。透过多光谱相机这个眼睛,地表的矿藏一目了然。铁氧化物显示为中间的亮红色区域。

     此外,天问一号还有一只超人那样的“激光眼”——他配备了一台“表面成分探测仪”。这是诸多科学载荷中的一个耗电大户,因为其包含了一个激光器,可以加热烧蚀蒸发地表的少量物质,形成等离子体,然后观察这些等离子体冷却退激发时候的特征光谱,进而确定物质成分。

    

     火星表面成分探测仪的结构(舒嵘 等,2018年)

     表面成分探测仪还可以去除样品表面的附着物,分析略深一点的新鲜样品的成份,这样,对于岩石的长期演化,岩石与火星的空气、水的相互作用,可以有更深入的认识。

     在地球化学领域,常见的一种研究方式,就是用大功率激光,剥离样品的微粒,送入质谱仪进行分析。这样的分析虽然物质的量很少,但是信号强烈,依然可以得到明确的结果。

     在地球化学这个方面,天问一号火星车有两套成型的仪器,左眼是多光谱相机,右眼是激光眼,可以说是天赋异禀。

     04 大气物理学

     作为有大气层的行星,火星的气象和大气性质,也是天问一号感兴趣的内容。天问一号携带了一套气象科学套件:“火星气象测量仪”,可以测量温度、压力、风向、风速,还可以录制火星大气的声音。

     比起前面的技能,气象测量仪似乎朴实无华。但是,在情怀和浪漫程度上,不遑多让。我们不光可以看见火星,借助气象测量仪,我们还可以听见火星,感受到火星拂过我们的头发的速度(虽然火星上更多是狂暴的沙尘暴)。

     而且,朴实无华的气象信息,其作用是非常重要的。大气层是将火星地表与火星附近空间连接起来的桥梁,其气象事件,实际上连接了天与地。

     而成为火星与地球人的桥梁,正是天问一号一直想要实现的。

     05 空间物理学

     抬头看天,我们的地球有着独属于自己的天空;火星也一样,那里的空间环境迥异于地球,包括其高层大气,磁场。

     天问一号火星车本就已经不凡,但他还不满足于研究火星的地表,他还想要抬头,探索火星的天空。在火星车的桅杆的不同位置,安装了两枚火星表面磁场探测仪。

    

     两枚磁场探头的位置。两个探头位置不同,各自受到火星车造成的不同磁场干扰。但二者受环境磁场的影响是相同的,因此通过差分,可以提取环境磁场信息。

     之所以安装两枚,是因为天问一号本来就是一个强的磁场源。如果想要测量火星相对很弱的环境磁场,必须要用这种差分的方式,将天问一号火星车本身的磁场减掉。

     火星的核心,根据目前的科学观测,已经死去,不再像地球的地核一样,继续制造强劲的偶极磁场。火星现在只剩下岩石圈的一些剩磁。但是,岩石圈的剩磁,大多也来自于火星全盛时期的地质活动。这些发生在地下深处数百公里,数千公里,直达火星内核的历史故事,埋没在火星死寂的红色土壤中,只有磁场信息能够破土而出,让我们阅读。

     同时,太阳热辣辣的太阳风,也在不断与火星的电离层发生着作用,带动着电离层起起伏伏,同时也产生出各种各样的磁场波动。

    

     2005年绘制的火星地壳剩余磁场

     天问一号火星车的次表层雷达,不光可以向下发射,也可以借助地表的反射,向天空发射。这样的雷达波,在遭遇电离层等离子体的时候也会反射,进而推测出电离层的高度和等离子体密度。配合磁场探测仪,天问一号火星车也可以填报空间物理专业。

    

     可以说,天问一号火星车,多才多艺,他填报了多种多样的志愿,可以进行各种各样的科研活动。不过,与我们高考的考生们不同,我们希望天问一号火星车,能够被所有的志愿方向,同时录取,一切顺利!

    

     航天城的食堂很好吃,通宵值班时候的提子饼干很好吃,在轰鸣的温箱旁边,吃到的新鲜的橘子也很好吃。很幸运能与天问一号(那时候你还没有名字)一起度过那么多快乐的时光,现在我满怀希望地送别你,并衷心地祝福你。

    

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