題目：關于火星的一些有趣問題
主講：柴立暉（中國科學院地質與地球物理研究所、地球與行星物理院重點實驗室副研究員）
時間：2021年5月30日
地點：線上騰訊會議
主辦：天然氣地質四川省重點實驗室、地球科學與技術學院、科研處
主持：王浩錚
整理：劉豐威
感謝各位老師、同學參與這次講座。我本人從本科到現在一直做的都是空間物理專業。火星實際上是一個非常有趣的星球，我盡量用淺顯易懂的語言講給大家，如果有什么不足之處也請各位多包涵。
我自己是做火星空間環境的，所以對火星有一些了解。我想讓大家知道天問一號探測火星可以做什么事情，后續還可以做哪些。這是非常有意義的工作，天問一號可以幫我們更好地認識火星。
先介紹一下對火星探測的歷史。我們對太陽系中的八個行星每一個基本上都觀測過。火星探測一直都是比較火熱，因為探索早期人們對火星認識得還不夠清楚，所以失敗非常多,下圖左邊的小叉叉都是發射失敗的。
火星探測始于上世紀60年代，那是冷戰時期，美蘇爭霸，所以不惜代價，花了很多錢。早期的火星探測都是單次的，比如美國的水手號，它們都是飛越火星，印度也老吹他們做得比我們好，因為之前他們就有一個火星探測器。但實際上真正的難度是落下去。蘇聯從1971年開始到1973年，二號、三號、四號、五號、六號火星探測器，就一個一個去扔，但是基本上都是失敗的。我們都說著陸，你只要扔下去就是著陸，摔壞了叫硬著陸，你要輕輕落下去才算成功。蘇聯的火星二號扔下去就直接失敗了，火星三號下去后，蘇聯說我著陸成功了，但它好像只發回了半張照片或者沒有發回照片。美國人說你這就是硬著陸，是失敗，他們要爭誰是第一嘛。當時美國還沒有準備好，還沒有著陸呢。1975年美國的火星探測器發回一張照片，到現在，他們都說他們是第一個著陸成功的，不承認蘇聯是第一個。如果按照美國的思路，我們中國就是第二個。天問一號著陸成功是非常重要的，它一下就把中國從航天大國推到第二位，原來中國是排在美國、蘇聯、歐洲、日本后面的，日本測小行星已經測了很多了。
為什么火星著陸這么難呢？首先來看月球，它本身體積比較小，所以它的引力就比較小，著陸時不會摔得那么狠。而火星比月球大，引力就更大，同時火星的大氣層又很稀薄，所以同樣的降落傘，提供的浮力就小多了，這也是為什么在火星著陸如此困難。美國是有秘訣的，他不會告訴他的歐洲盟友，他有很多方式都能成功，所以中國著陸成功，就把美國的秘訣給破了。
這是我在網上找的一些照片。5月19號祝融號發回了兩張照片，這是非常重要的，你要是不發回，人家就不承認。
因為我是做科學的，不是做工程的，所以就講一些科學的問題。天問一號這些名字，都起得特別好。“天問”是中國行星探測任務名稱，該名稱源于屈原的長詩《天問》，表達了中華民族對真理追求的堅韌與執著，體現了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學真理征途漫漫，追求科技創新永無止境。
“祝融”是天問一號著陸巡視器搭載的火星車名。祝融是中國上古神話中的火神。火的應用促進了人類文明的發展，驅散黑暗帶來溫暖。祝融號寓意點燃中國星際探測的火種，指引航天人不斷超越自我，逐夢星辰。
接下來我會講一些火星上的有趣問題，火星的基本參數如下：
半徑=3389公里
質量=11%地球
1日=1.03地球日
1年=687地球日
火日距離：1.52AU(1.382-1.666)
平均軌道速度：24km/s
逃逸速度：5.03km/s
衛星：Phobos、Deimos (~10km)
我們知道地球的半徑是6000多公里，而火星的半徑是3000多公里，所以火星的半徑要比地球小一半，同時火星的質量只有地球的十分之一，火星的一天大概也是24小時。但是它繞著太陽公轉一圈需要600多天，所以就相當于兩個地球年。火星離太陽的距離是1.52AU，這個AU是天文單位，指的是太陽到地球的距離，所以我們容易知道火星是在地球的后面。我們可以看到它最近離太陽是1.3AU，最遠1.6AU，這就說明火星的公轉軌道比較扁，而我們的地球的公轉軌道實際上是比較圓的。同地球一樣，火星上也有月亮，不同的是地球上有一個，而火星上有兩個月亮，一個叫Phobos一個叫Deimos。
下面介紹火星上幾個比較有趣的問題。
一、火星為什么這么小?
人類最早研究火星的方法不是發射衛星，而是拿望遠鏡去研究，拿望遠鏡就會大概看到火星。整個太陽系中，離太陽由近而遠依次是水星、金星、地球、火星，火星與木星之間有個小行星帶，再往遠處就是木星、土星、天王星、海王星。
可以看出來，實際上類地行星是比較小的，在這幾個較小的行星里面，金星比水星要大一點，地球又比金星大一點，按此規律火星應該比地球大一點，可是火星就是格外的小，實際上這一直是一個非常讓人困惑的一大謎題。
如果單位面積、質量差不多的情況下，一個恒星要把軌道上一圈的物質都吸積起來，那么繞著這一圈的直徑越大，吸引到的質量就越多。所以一般來說越遠的星球的質量越大。按這個道理來說，火星應該比地球要大的些，至少跟地球應該差不多。但是火星的半徑是地球的二分之一，那么它的體積只有地球的八分之一。而類地行星的密度都差不多，所以可以估算出火星的質量也就只有地球的八分之一左右。那其他的質量去哪兒了？按道理它不應該這么小的啊？
所以誕生了各種猜想，比如早期有人猜想火星其實不是在現在這個位置形成的，它是很靠內的，然后又跑出去了，所以它的質量比較小。2011年有人提出了一個新的假說，行星的大遷徙假說，現在接受這個假說的人也越來越多。該假說認為我們現在看到的行星的位置并不是他們最開始的位置，太陽系中木星最早形成，那時候地球還沒有形成，木星很早形成之后就開始往里面走，后來在恰當的時候形成了土星，土星形成后又將它周圍的物質清空，清空之后木星和土星一起向外跑，慢慢地就形成了現在的位置，在它們向外跑的過程中，水星、金星、地球和火星就形成了。簡單地說，就是木星偷偷跑過來，跑過來之后把火星的質量搶了再跑回去，于是弄得我們的火星的質量如此的小。
二、火星南北半球為什么如此不同？
火星的南半球和北半球非常不一樣，北半球普遍比較低，南半球普遍比較高，所以一般叫北方低地和南方高地。可以看到北半球很光滑，而南半球上面坑坑洼洼的，我們可以把北半球比喻成嬰兒的皮膚，而南半球就是一個歷盡滄桑的老人的皮膚，所以其實我們看星球也是可以看它的皮膚的，如果比較光滑，就說明這一塊地區是比較年輕的，相反的，如果上面坑坑洼洼的，就說明這塊地區確實比較老的。那為什么火星的北半球那么年輕平滑，而它的南半球那么年老滄桑呢？這要如何解釋？
到現在為止最受歡迎的就是大撞擊理論。火星直徑3000多公里，它被一個直徑1000多公里的小行星撞了，撞擊位置比較靠近北半球，使得北半球海拔比較低，同時上面的隕石坑，磁場等都被撞擊抹掉了。北半球就相當于做了一個拉皮手術，將北半球弄得很光滑，這就是大撞擊理論。大撞擊理論可以比較好地解釋為什么整個火星的北半球比較低洼，為什么整個北半球的隕石坑基本上都被抹掉了。
但是不同的人總有不同的看法。比如說，還有一些人就覺得火星的北半球實際上就是火星的古代的海洋。可以想象我們的地球，如果把地球的水抽干了，你就會發現地球的南半球肯定是海拔要低一點，因為它在海平面以下，而相應的北半球海拔就高一點。所以就有人覺得火星和地球差不多，這不是火星獨有的特點。如果有海洋的同時又有隕石的撞擊，那一定會形成一個大海嘯，是不是能在邊緣找到海嘯的沖擊沉積物，這些我們都可以做進一步的科研、探測，然后去研究這些問題。
還有第三種假說，它是由板塊活動、地質活動造成的。火星上有非常類似地球上的巖石剩磁條狀分布，但是實際上地球上的條帶比較窄，相比而言火星上的太寬了，而且它是衛星在400公里的高度測量，并不是在火星表面測的，而且地磁條帶的需要定年。因此火星上是否有板塊運動還有待研究。除此之外，火星上還有一個高度為21公里的火山，你想我們的喜馬拉雅山才多高，不到九公里。所以有人就覺得它是一個超級地幔柱形成的大火山。而這個火山是否是活著，火星內部是否是活的，就可以用火星地震來研究。這也是Insight火星探測器的探測目標之一。
三、火星過去是否宜居？
大家可能都聽過，有人說我們地球人可能是火星來的呀。為什么會有這些傳言，或者說有這些想法，他肯定是看到了什么。我下面就講講他大概看到了什么。這些照片都是美國的衛星拍攝的非常高清的火星表面照片，我們用肉眼就去看這個東西是什么，能看到這是水流的痕跡，要形成這么大片的河谷網，至少得有流水吧，而且這個水要持續存在，在火星上要形成這么大型的河谷網，大概需要幾百萬年。還可以看到火星上的三角洲，長江的三角洲都是類似這樣的，要形成這么大一個三角洲，需要至少十年的沉積。還能看到火星上很光滑的鵝卵石，這也能證明火星上曾經是有流動的水。火星上曾經有河流，有湖泊，有三角洲，有鵝卵石，于是有人就會猜想火星是不是有生命呢？
現在觀測到火星的大氣只有地球的百分之一，這個大氣層就有點像被子，它是一個保溫層，火星的被子這么薄，要怎么去保持流動的水？既然是流動的水，那火星氣溫必須要在零度以上，但是怎么算火星的溫度都沒有辦法達到零度以上。
還有一個問題就是火星是1.5AU，接收到的陽光太少了。除此之外，雪上加霜的是，我們所看到的巖層是非常古老的巖層，早到那時候太陽剛剛形成，那時太陽比現在弱30%。那也就是說在早期的火星，蓋的被子又薄，距離火源還遠，同時火源還比現在弱，如此情況下，怎么可能形成液態水呢？于是有人提出液態水的存在無法長時間持續幾億年，而更可能是間歇性短暫地出現了幾百萬年。
要知道38億年前地球上的生命是單細胞的原核生物，到二十幾億年前首次出現了真核生物，這中間整整進化十幾億年才進化出一個真核細胞。真核單細胞生物后來進化出多細胞生物，多細胞的生物再進化出智慧生命，所以說火星上有火星人嗎？應該是比較難的。有可能曾經存在細菌一類的低等生物，但是要說有智慧生命實在是比較難，因為智慧生命的進化是需要長時間保持一個比較好的條件才可以。所以如果火星有過宜居環境也只是短暫性的、間歇性的，沒有出現長久的宜居條件。
四、什么導致了火星的全球性氣候變化？
這個問題實際上是由上一個問題引出的，我們觀察到火星上曾經存在水，不管它存在過多久，它是有過水的。但是現在火星地表溫度平均是零下六十多度，同時火星表面現在也沒存有存在湖泊或者河流。那么就有個問題，火星過去有短暫的濕潤氣候，而現在又干又冷，是什么導致了這個變化？會不會我們的地球就在未來有一天也像火星一樣變得干冷，到時候怎么辦？所以這個問題最好搞清楚火星發生了什么問題，是什么原因導致了火星的全球性的氣候變化。
火星上的這些水跑到哪里去了，其實就只有兩種可能，要么上天，要么入地。如果真的是從太空跑掉，那水就真的徹底丟失了，以后也不會有水了。當然還有一些人認為它沒有上天，是鉆到地下，變成了地下水。
關于火星水是否從太空逃逸，對此我們可以去測同位素來研究。因為我們的整個太陽系都是一起形成的，初始的材料都是一樣的，所以火星上面的同位素的比例和地球應該都是差不多的。但是我們對比火星大氣同位素后發現，火星大氣層的重同位素比重大于地球，這是由火星大氣層頂質量分異部分較輕的粒子大量逃逸到太空造成的。火星應該在38億年左右之前水突然減少，高速的太陽風粒子將火星上的水變成氫和氧離子相互作用。水蒸氣經過太陽光照后變成氫離子和氧離子，他們一旦帶電，就可以和太陽風相互作用，于是從高速的太陽風那里獲得能量，火星上的水就可以跑掉了。地球沒有出現這個情況得益于全球性地磁場對太陽風粒子的阻礙作用，使這些高能粒子很難到達地球。
五、從火星認識行星宜居和生命演化
我們可以從研究火星來認識行星的宜居性和生命的演化。為什么這么說呢？因為我們的太陽系中太陽只有100億年的壽命，100億年之后，它就燃燒完了，而現在已經過了50億年了，所以我們最長最長只有50億年的時間去找宜居的星球，50億年之后太陽會熄滅，那個時候地球會被太陽吞噬，地球肯定不能住人，所以要趕緊去找到下一顆可以居住的行星。像《流浪地球》帶著地球跑也行，把人帶著跑也行，必須要在50億年之內找到下一個行星，我們研究的一個問題就是要找宜居帶。原本地球和火星都在宜居帶上，但是現在觀測火星并不宜居，說明我們對宜居帶的認識還不夠清楚。
整個太陽系的演化，從最早期的大遷移理論到尼斯理論。通過對火星的研究實際上我們也可以對太陽系有一個很好的認識。但是目前我們對整個太陽系的認識還是很不清楚，例如我們提出的很多都是猜想，目前也沒有直接數據可以證明這些猜想或者理論，這也是我們要接著去做的一個東西。
從我本人研究的行星空間環境的角度來說，如果我們把火星測量研究清楚了，我們就可以知道土衛六、彗星上的空間磁場長什么樣。用火星不僅能認識我們的地球，還能認識其他的很多行星。我只做了天問一號中的一小部分，每一個研究項目后面還有一大堆的科學家，有很多人都在等著我們天問一號的數據回來，使我們對火星的認識也可以更進一步。
非常感謝大家能聽到現在，希望以后還能與大家分享火星研究的新進展，大家再見。（根據錄音整理并經本人審閱）