2020年7月18日、7月24日，首都科学讲堂线上开讲，本次首都科学讲堂邀请了中国科学院国家天文台研究员、行星科学家、科普作家郑永春，为大家带来主题为《人类的火星梦想与征途》的精彩讲座。

　　人类的火星梦想与征途

　　2020年7-8月，人类探测火星迎来大约两年一次的窗口期，中国的火星探测任务“天问一号”也牵动着无数人的心。火星，这颗位于太阳系的红色星球一直戴着神秘面纱，给了人类无数的想象与希望。这些年世界各国探测火星进程如何？未来人类有可能移民火星吗？

　　第一讲 登陆火星恐怖的“黑色7分钟”

　　火星是太阳系的第四颗行星，地球是第三颗行星，地球绕太阳跑一圈只要365天就行了，火星绕太阳跑一圈则需要687天。如果从地球去火星，不是想去就能去的，因为你要选一条最节省燃料的途径。最好把自转的速度和公转的速度都利用起来，正好顺着这个势甩出去。甩出去的时候，恰好火星也走到合适的地方，火星在前方的跑道上等着。所以火星探测器发射的时候，火星要正好在地球前方的44度左右。这个时候地球往前走，火星也往前走，走到中间，火星探测器发射大概两三个月之后会迎来一个重要的时间节点，也就是火星冲日，这时地球、火星、太阳在一条直线上，火星到地球的距离最近。火星探测器发射的时候是沿着抛物线过去的，经过7-10个月的飞行，它就会抵达火星。

　　1964年美国发射了“水手4号”，这是第一个成功飞越火星的探测器，并且把火星照片传回了地球。虽然当时的照片很模糊，只有一些明暗相间的条纹而已。到了1976年，美国“海盗1号”着陆火星时，它必须穿过火星的大气层，这是一个重要的考验，因为不知道大气是什么样的。如果大气层厚，那么航天器通过摩擦后减速效果就非常好，但是如果大气层非常稀薄就会撞上火星地面，这个时候就需要把航天器的速度从每小时2万公里减到0，这个减速的时间只有短短7分钟。这是非常困难的，这就是为什么很多火星探测器会在这个阶段失败的原因。到现在为止，还只有美国的航天器成功登陆过火星。“海盗1号”传回地球的火星表面图像比以前清晰得多，能看到火星上的沙尘和石块，甚至还能看到火星远处的山脉。火星上大部分时间里，天空是一片橙红色，有时候天空会变得特别红，还会席卷整个火星表面，这说明火星上掀起了全球性的沙尘暴，有时还会有局部地区的龙卷风。

　　第二讲 世界各国探测火星的征途

　　目前，世界很多国家都在瞄准火星，这是因为整个太空里面，除了月亮，火星跟地球环境最像，最有可能有生命，也是未来有可能实现大规模宜居的星球，地球人自然对火星产生了浓厚的兴趣。2003年，欧洲发射了“火星快车”空间探测器，获得了火星上的很多数据和图像，它发现火星的南北半球的边界上有很多的海岸线，和地球上的海岸线非常相似。火星上已经没有海洋了，但是残留着海岸线，这些海岸线说明火星的北半球曾经是一个巨大的海洋。后来欧洲又发射了火星勘测轨道器，上面有一个非常巨大的、分辨率更高的相机，能够对火星上的每一寸土地进行拍照，它能识别出篮球大小的物体，如果真有火星人的话是能够找到的。美国还发射过一个“马文号”探测器，它的目的是研究火星的大气层。它发现火星的大气其实是被太阳风吹走的，这是因为火星的磁场消失之后太阳风就直接吹到了火星表面，把大气带走了。

　　太阳风会吹走地球的大气吗？地球也有一层大约100公里厚的大气层，如果没有大气层了，地球上所有生命都将灭绝。从目前来看，地球有一个非常完美的磁场，把大气层牢牢地锁在地球表面，所以太阳风没有办法吹到地球表面。地球磁场消失可能还有几十亿年的时间，在这个时间段内，地球的大气是安全的。地球派探测器去火星，已经有40多次了，但成功率只有一半多。火星车代表着火星探测的最高技术难度，到现在为止已经发展到第三代了。最大的火星车现在还在火星上运行，这就是美国的“好奇号”，价格达到150亿元人民币，重量跟私家小汽车差不多重，高度比人还要高，这个火星车没有翅膀，也不需要用太阳能发电，它有核动力，晚上也可以工作。“好奇号”不仅是一个火星车，它还有一个正式的名称叫“火星科学实验室”，地球上一个矿物实验室能够完成的大部分分析工作，这个火星车都能够完成。比如它有一根机械臂，还会打转。它会选择特定的、有科学价值的石块打一个转，然后把表面的一些风化物质磨掉，把里面深处的东西取出来放到罐子里加上试剂，让它们发生化学反应，并释放出一些挥发物和气体。然后对这些气体进行分析，就能知道这个石块是在什么样的条件下形成的，是不是被水浸泡过等等，通过这些蛛丝马迹来看清楚火星的真面目。

　　火星车也做了很多科普和科学传播的工作，比如通过它看到火星上的夕阳是蓝色的，看到的地球是一个非常小的蓝色小星星，悬挂在地平线上……

　　第三讲 火星最高峰是珠穆朗玛峰的2倍有余

　　火星的北半球曾经是一片大的海洋，跟地球曾经非常相似，也有海洋和大陆。而火星比地球要小得多，火星上整个的表面积就相当于地球上的所有陆地的面积。地球上有板块作用，于是产生了火山、地震，以及各种各样的造山带。但火星上没有板块，它是不动的。火星上有一个大火山，被命名为“奥林匹斯山”，奥林匹斯是希腊神话十二主神之一——宙斯所在的地方。奥林匹斯山曾经是一个火山口，大规模的岩浆喷发在周围形成了一个非常大的火山沉积物的分布区。火山高达22000米，是地球最高峰珠穆朗玛峰的2倍有余。

　　奥林匹斯山有一个断崖，这表明奥林匹斯山是在整个台地上升起来的一个巨大的火山。这个大火山的周围还有三座处在一条直线上的火山，这三座火山的高度也基本接近。科学家推测，这三座火山下面可能有同一个岩浆囊。火山的形成说明火星上曾经有非常强烈的火山爆发运动，只是不知道那个时候有没有生命。地球上火山喷发规模都相对较小，比如夏威夷群岛其实是火山喷发出来的，东北的五大连池也是火山喷发出来的，内蒙古、云南腾冲、四川等地也有火山，规模都不大。地球上如果有这么大规模的火山喷发，必然会引起大规模的物种灭绝。火星上还有一个非常庞大的“水手大峡谷”。“水手号”是人类历史上第一次成功探测火星的探测器，“水手四号”在1964年发射，1965年抵达火星，所以用“水手号”的名字来命名这个大峡谷。它从东到西横跨火星上将近一个半球的距离，长达4000公里，相当于北京到广州一个来回，宽的地方有几百公里宽，把地球上的东非大裂谷、美国的科罗拉多大峡谷、中国的雅鲁藏布江大峡谷等全部放进去都填不满。

　　火星车还在火星上探测到了一个曾经碧波荡漾的湖泊，这个湖里留下了很多的沉积物。从科学的角度来讲，这表明我们离发现生命的生存环境更进了一步。火星上有很多河流干涸带的遗迹，还有鹅卵石。鹅卵石越圆，说明它越在下游，流速越快；越在上游，棱角性就会越明显；并且越到下游直径越小，棱角性越小。通过这个研究我们就可以知道，这里曾经有一条河在奔流。在火星的南北极都有很多冰盖，这些冰盖大部分是二氧化碳，只有少量的水。和地球上的冰盖一样，在夏天的时候也会融化，当然不是全部融化，在冬天时这些冰盖则会凝结。　 

　　第四讲 火星上有没有生命存在？

　　火星上也有不同的土壤，有不同的颜色、不同的成分。如果在那个地方开展农业，说不准不同的地方产出来的稻米也有不同的风味，这就叫土特产了。火星跟地球一样有很多风蚀地貌，就是沙尘吹蚀产生的一些独特的地貌，这个地貌跟青藏高原，跟内蒙戈壁这样的一些雅丹地貌很相似。但是在这里面，相似之中也有不相似。火星上的引力是地球上的1/3，这就意味着同样的一个地形，一个石块，它在地球上和火星上受到的引力是不一样的，引力不一样就会对地貌产生不一样的影响。如果引力小，奇形怪状的地貌能够维持的可能性就更多。 火星的空气里面有一种微量的气体——甲烷，有了甲烷我们是不是就可以证明它存在生命？还不行。如果在地球上，基本上就可以这么判断了，但是如果在火星上还有另外一种可能——岩石和水发生反应也会产生甲烷气体，不需要微生物参与。

　　那么有没有办法准确判断出生命的存在呢？同位素的质谱仪，能对每个甲烷里面的碳分子进行同位素分析，分析之后你就会知道，微生物产生的同位素，跟石头反应产生的同位素是不一样的。但可惜的是，这些大型仪器没有办法运到火星上去。要么把火星上的大气取回来在地球上分析，要么把大型仪器小型化，搬到火星上去，两者都不容易。所以深空探测对科学技术提出了要求，使得我们需要达到更高的技术才能实现这样的事情。

　　2020年第五个中国航天日期间，国家航天局发布了中国行星探测计划的LOGO标识和中国首次火星探测计划的标识。中国的行星探测计划被命名为“天问系列”，中国的第一个火星探测器被命名为“天问一号”。中国的深空探测计划不是只针对火星和月球，而是整个太阳系。将来我们还会探测木星，探测小行星。在火星探测器里面“天问一号”也不是一个单一的探测器，而是由三个探测器组成的，一个是环绕的轨道器，一个是着陆器，还有一个火星车，也叫巡视器。2020年7月23日，火星探测器“天问一号”进入太空，预计在2021年初登陆火星表面。登陆火星表面之后，火星车要探测火星地下冰层、土壤成分、大气成分、风速、风向等一些气象参数，到时候我们就可以收到火星上的气象预报了。