火星

一方面，关于火星大气中甲烷性质和存在的争论仍在继续，另一方面，水曾经存在于火星这一点却已经实锤，并且，它仍以水-冰或水合矿物质的形式存在着。这一点尤为重要，因为有水的地方，就可能有生命。 为了让我们更好地理解火星上水分布的具体位置以及形成历史，联合发射的火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter，TGO）的精细分辨超热中子探测器（Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector，FREND）正在绘制火星表面最上层的氢原子分布图。氢原子是水分子的组成原子之一，它象征了水分子的存在，同时也能代表被吸收进火星大气的水分子，以及在有水条件下形成的矿物质。 火星浅层地下水的分布< 版权：ESA/ATG媒体实验室；数据来源：I. Mitrofanov et al (2018) FREND地图绘制任务的完成将会需要大约一个火星年的时间，也就是几乎两个地球年，FREND将会用最佳生成的数据来构建最高质量的地图。实际上，仅仅只用现有的几个月的数据，FREND构建出的第一张地图就已经超越了此前所有测量结果的分辨率。 [rml_read_more] “在短短131天的时间内，这台仪器就已经绘制出了比上一任版本更高分辨率的地图，也就是超越了美国航天航空局（NASA）的火星奥德赛（Mars Odyssey）16年以来的数据绘制的地图，并且，这份地图正处于不断优化之中。”伊戈尔•米特罗法诺夫（Igor Mitrofanov）说道。伊戈尔是位于莫斯科的俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）的空间研究所（Space Research Institute）FREND仪器的首席研究员。 除了两极地区已经确定富含水的永久冻土（permafrost）之外，这份新的地图还显示了局部“潮湿”和“干燥”地区更为精密的细节；同样得到突出的，还有赤道地区富含水的区域，这可能意味着现阶段赤道地区存在富含水的永久冻土，或者这里在过去曾是火星的两极。 魔鬼般沙尘的细节 版权：ESA/Roscosmos/CaSSIS, CC BY-SA 3.0 IGO “TGO得到的数据质量正在不断提高，最终，我们将会得到足够完整的数据，来构建火星的浅层地下富水材料地图，而这份地图对理解火星的整体演变以及现存水的来源尤为重要。”伊戈尔补充说道，“这对火星科学意义重大，对未来的火星探索也极具价值。” “多亏了TGO的成像系统，我们已经能够享受到现有的如此精美的火星图片和立体视图，现在，我们很高兴还能从其他仪器的数据中共同观察到这一切。” 欧洲空间局（ESA） TGO的项目科学家霍坎•斯韦德赫姆（Håkan Svedhem）总结道。 “我们的未来充满希望，多个探索项目都在为火星科学的迷人之处作出贡献：从地下水的分布，到活跃的火星表面反应过程，再到神秘的火星大气。” 延伸阅读 本文是关于火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter）解读的第三篇，前两篇文章分别是 一：这场全球性的沙尘暴，让火星大气湿度迅速增加 二：火星大气中变幻莫测的甲烷，为何神秘消失？ 参考： [1] https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/First_results_from_the_ExoMars_Trace_Gas_Orbiter [2] “Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” by O. Korablev et al, is published in the journal Nature. [3] “Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” by A.C Vandaele et al, is published in the journal Nature. [4] “Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project” by I.G. Mitrofanov et al, is accepted…

对火星大气进行分析 版权：ESA/ATG媒体实验室 一系列火星相关的最新证据：最近席卷整个火星的沙尘暴对火星大气层中水的影响，以及火星大气中甲烷气体的缺失，这些都是火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter）在轨观测第一年的科学成果亮点。 《自然》（Nature）杂志于4月10日发表了两篇论文，阐述了新的研究结果；同时，维也纳欧洲地球科学联盟（European Geosciences Union）的专题新闻发布会也对这些新发现进行了报道。 第三篇相关论文也已经投稿给了《俄罗斯科学院院刊》（Proceedings of the Russian Academy of Science），展示了有史以来火星浅层地表之下水-冰或含水矿物质的最详尽的绘制地图。 [rml_read_more] 2016年10月，欧洲航天局（ESA）-俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）联合发射的火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter，TGO）正式抵达火星。接着，利用所需的航空制动技术，TGO花费了一年多的时间进入到它的科学轨道，距离火星表面400千米，运行周期为两小时。 “微量气体轨道探测器得到的第一批结果让我们非常满意。”ESA TGO的项目科学家霍坎•斯韦德赫姆（Håkan Svedhem）说道。 “我们的探测仪器表现得非常出色，即使是在观测任务最初的几个月里，提供的精确数据就已经比之前的水平高出很多。” 来自TGO的首批结果 版权：ESA/ATG媒体实验室 TGO的主要科学探究任务从2018年4月底开始进行，也就是火星全球性沙尘暴开始的几个月前。这场沙尘暴最终造成了美国航空航天局（NASA）机遇号（Opportunity）火星车15年火星表面探测任务的终止。 相比之下，位于轨道上的航天器却能对沙尘暴事件进行全面而独特的观测，TGO将沙尘暴的起始和发展都记录了下来，并观察着飞扬的沙尘对火星大气中水蒸气的影响，这一点对理解火星上水的历史有着重要的意义。 利用沙尘暴，研究火星水历史 TGO探测器上有两台光谱仪：天底与掩日光谱仪（Nadir and Occultation for MArs Discovery，NOMAD）以及大气化学光谱仪组件（Atmospheric Chemistry Suite，ACS）。NOMAD与ACS首次对火星大气进行了掩日测量（solar occultation measurement），即在火星大气的“掩蔽下”穿过大气指向太阳，观察不同的大气成分对太阳光线的吸收情况，从而进一步揭示火星大气独特的化学组成。 这使得科学家能绘制出水蒸气和“半重”水的垂直分布（“半重”水：“semi-heavy” water，即水分子的其中一个氢原子被氘原子取代。氕原子是氢的主要同位素，由一个质子和一个电子组成；氘也被称为重氢，比氕原子要多一个中子），范围从靠近火星表面直到火星表面上方80千米的高度。这些新的结果追踪了火星大气中氢原子逃逸进入太空的过程，从而探索了大气中沙尘对水的影响。 比利时皇家空间和高层大气物理研究所（Royal Belgian Institute for Space Aeronomy）的NOMAD首席仪器研究员安•卡里纳•旺达勒（Ann Carine Vandaele）表示：“在火星的北纬地区，我们观察到了此前并不存在的一些特征，比如在25 ～ 40千米的高空中漂浮着一些沙尘云；而在南纬地区，我们观察到了沙尘云层向高海拔地区的移动。” “在沙尘暴最初发生的短短几天里，大气中水蒸气量的增加极为迅速，这表明火星大气对沙尘暴的反响相当迅速。” 沙尘暴的演变 版权：ESA/ATG媒体实验室；数据：A. C Vandaele et al (2019) TGO的观测结果与火星的全球循环模型一致：沙尘吸收了太阳辐射，周围的气体被加热而膨胀，进而在更广的垂直范围内让其他成分重新分布，这些其他成分之中就包括了水；赤道与两极间的温度差异也进一步被拉大，加强了火星的大气循环流动；与此同时，由于温度的上升，水-冰云的形成数量减少，通常情况下，水-冰云会将水蒸气限制在较低的空间高度上。 这些研究团队还首次同步观测到了半重水和水蒸气，这为轻原子和氘原子逃逸进入太空的数量控制过程提供了重要的信息。这一观测同时也意味着氘原子和氢原子的比例（D/H比）可以被推导出来，而D/H比则是火星含水量演化过程的重要标志。 “我们发现这些水分子，无论是否含有氘原子，对冰云的存在都极其敏感，因为冰云能防止它们到达高层的火星大气。在火星沙尘暴期间，水分子则扩散到了相当高的地方，” 安•卡里纳说道，“这种现象早已在理论上被各种模型预测出来，但这是我们首次在实际中观测到。” 由于D/H比理论上会随着季节和高度的变化而发生改变，因此TGO将持续进行区域性、季节性的测量，为前面提到的控制过程提供更进一步的证据。 在奥地利维也纳欧洲地球科学联盟（European Geosciences Union）的专题新闻发布会上，这些结果也得到了报道。 最后，关于火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter）的解读，还有两部分，“火星大气中甲烷的神秘缺席”与“火星浅层地下水的最佳地图”。 未完待续…… 参考： [1] https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/First_results_from_the_ExoMars_Trace_Gas_Orbiter [2] “Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” by O. Korablev et al, is published in the journal Nature. [3] “Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” by A.C Vandaele et al, is published…

上面这张图是洞察号的防风防热罩（Wind and Thermal Shield），上面覆盖的是洞察号的地震仪。 Credits: NASA/JPL-Caltech 4月23日，法国国家太空研究中心（CNES）举办了一场新闻发布会，宣布洞察号首次在火星上检测到了一次微弱的地震信号，另外还有三次疑似的地震信号。火星上的地震，我们可以称之为“火震”。 火星上有地震，说明了火星仍然处于地震活跃状态。 洞察号检测到的明显“火震”信号发生在4月6日，也就是它的第128个火星日，类似于阿波罗任务在月球表面检测到的“月震”。 阿波罗宇航员在月球表面总过安装了5个地震仪，1969年至1977年间，在月球上测量到了数千次“月震”，揭示了月球上的地震活动。 Credit: NASA 其他三个疑似“火震”信号分别发生在3月14日（Sol 105），4月10日（Sol 132）和4月11日（Sol 133）。 地球上发生的地震，是由于板块运动时导致的断层，释放出地震波，使地面发生震动。火星和月球上没有构造板块，火星和月球上的地震原因之一，是由于它们内部持续的冷却收缩，随着时间的推移，造成了地壳断裂，从而引发了地震。 这两张图是洞察号的第10个和122个火星日对比照，我们可以看到洞察号的太阳能板上已经积累了许多灰尘，不过不是很影响洞察号的太阳能供电。 NASA / JPL-Caltech / Paul Hammond 下面这段视频中我们可以听到三种声音，火星风，可能的火震，以及洞察号机械臂移动时发出的声音，都被洞察号的火星内部结构地震实验仪（SEIS）记录了下来。 洞察号记录到的另外三个疑似火震信号，但都比这个信号模糊。 Credits: NASA/JPL-Caltech/CNES/IPGP/Imperial College London 参考 [1]http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2019/insight-detects-marsquake.html [2]https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-insight-lander-captures-audio-of-first-likely-quake-on-mars [3]https://presse.cnes.fr/en/world-first-french-seis-instrument-detects-marsquake

对火星2020（Mars 2020）的系统测试进行第一次测试的技术员，到达了他们在NASA喷气推进实验室航天器装备设施（Spacecraft Assembly Facility）的工作站，位于加利福尼亚州的帕萨迪纳。 版权：NASA/JPL-Caltech 在2021年2月18日下午的7分多钟时间内，NASA的“火星2020”火星车将会执行大约27000次调整和计算，那时它会处于由太空边缘着陆于火星耶泽罗陨石坑（Jezero Crater）的阶段，这将是一个极其危险的加速过渡阶段。虽然那将是这架重达2314磅（约1050千克）的火星车首次踏足这颗红色星球，但在此之前，火星车的处理器、传感器和发射器网络会完成不计其数的成功模拟，模拟在耶泽罗陨石坑着陆的情景。 希瑟•博顿（Heather Bottom）说：“我们在1月23日时对火星车着陆于耶泽罗陨石坑进行了第一次模拟。”她是加利福尼亚州帕萨蒂尼喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）火星2020任务的系统工程师，“两天之后，这辆火星车将再次成功降落于火星上。” [rml_read_more] 博顿是系统测试1（Systems Test 1， ST1）的测试负责人，这是火星2020的工程团队的首次试驾机会，他们来对火星2020任务的主要组成部分进行了测试。在1月的两周时间内，博顿以及另外71名工程师和技术人员接管了JPL航天器装备设施（Spacecraft Assembly Facility）的高湾1（High Bay 1）洁净室，根据测试进程，他们将软件和电气系统安装在了该任务的巡航、入口舱、下层平台以及火星车内部。 “ST1是一项艰巨的任务，”博顿说道，“对于在2020年我们即将装在真正的火星车组件上的那些飞行软件，这还是我们的第一次做测试，我们需要确保它们不仅能按照预期正常运行，还能按照预期互相协作。” 在火星2020探测器逐渐下降到前景中可见的火星大气中时，火星车的后壳会对火星2020起到保护作用，一位该项目的技术人员正在监控系统ST1的测试进度。 版权：NASA/JPL-Caltech 火星2020的软件“遗产”可以追溯到火星车勇气号（Spirit）、机遇号（Opportunity）和好奇号（Curiosity），其中好奇号火星车从2012年起就一直在兢兢业业地探索火星的盖尔陨石坑（Gale Crater）。而火星2020任务与以往不同，所用的火星车也不是同一个，拥有着一套不同的科学仪器，在火星上的着陆目标也不同：故此火星2020的软件需要进行专门地定制。 真正开始研究飞行软件的时间是在2013年，在计算机工作站和笔记本电脑上，研究人员对软件进行编码、重新编码、分析和测试。然后，飞行软件正式进入航天器测试台中，与计算机、传感器以及其他电子元件一起测试，这些元件是模仿2020年探测任务中将会共同发射的飞行硬件。 “虚拟工作站和测试台是测试研发阶段的重要部件，”博顿说道，“但是构成这项任务的组成部件有成千上万个，不是每一个部件都会像测试台一样作出相应的反应。而看到飞行软件和实际的飞行硬件协同工作，这在我们的研发过程中是一个极好的建立信心的方式，就好像真的在飞行中进行测试一样。” 做出成绩 在ST1正式开始执行的前一天，高湾1洁净室里到处是蹦蹦跳跳的“兔子装”——穿着工装的工程师和技术人员，他们一同对火星2020任务的硬件进行组装、检查和测试。第二天，也就是1月16日星期三，洁净室内则异常安静，大量的工作人员则变成仅只有2名技术人员，他们留下来监控飞行测试硬件。被称为“脐带”的电线分布尚未堆叠在一起，增添这些布线是为了给航天器的巡航平台、后壳、下降台和流动站底盘提供数据和电力。地面与飞行中的航天器（以及飞行中的航天器与地面）间的通信由X波段无线电传输处理，模拟这些设备去往火星旅途上的情景。 ST1的执行从以下的命令开始：给航天器的电器元件供电，并建立热能、电力和电信配置。虽然所有的航天器组件都局限在一间洁净室里，博顿和她的团队却觉得他们就像在2020年7月，坐在宇宙神5型运载火箭（Atlas V）541号上，位于卡纳维尔角空军基地复合式41号发射台（Launch Complex 41）上方190英尺（58米），等待发射进入太空。 接下来，在测试着陆序列之前，他们专注于巡航平台的另一个部分，之后他们便将所有测试再从头来过。 在成功模拟发射之后，他们往前跳过40天的时间，来模拟深空巡航的情况。当不得不执行导航修正和轨迹修正时，飞行软件和硬件互相协作的情况将会如何呢？当模拟的事件并未像预期那样地进行，它们又会如何应对呢？研究团队在洁净室隔壁的操作室中，通过操作台计算机屏幕探寻着这些问题的答案。 “在测试操作室里，你可以透过窗户看到洁净室的地板，并清楚地看到飞行硬件，”博顿说道，“你看不到任何明显的外在移动，但在外层结构之下，飞行计算机正在互换位置、无线电正在接受和传输信号、燃料阀门开开合合、子系统电源电力通了又断、电子信号被发送到并不存在的烟火装置中。小小的空间里有成千上万件程序在忙碌地进行。” 1月30日的时候，火星2020测试团队终于能合上他们那本一千多页的ST1程序操作手册了。他们对登陆火星的阶段进行了2+2共4次模拟，对发射阶段也进行了4次模拟，除此之外还有深空导航的测试、轨道修正的演练，甚至进行了飞行时可能发生的几种意外情况的测试。这些对飞行硬件和软件的初次测评，进行了一年多的时间，取得了圆满的成功，体现了航天器中可圈可点的优秀之处，也挖出了其中仍有进步余地的部分。当在虚拟工作站和测试台上均调查到了这些新的变化时，它们就有机会在其他火星2020的计划测试中真正执行，一同“上天”。 “未来可能会有的情景测试之一，就是把火星车置于一个热室之中，模拟在火星表面的情形。火星车将在非常低的火星表面温度下，一步一步地完成任务中的关键行动，”博顿说道，“不论是从字面上来说还是从比喻意上来说，这都是一个非常酷（cool，也有温度低的意思）的测试。” NASA科学任务理事会（Science Mission Directorate）的JPL的火星2020负责管理开发火星车，NASA的发射服务计划（Launch Services Program）负责发射管理，该计划位于佛罗里达州的NASA肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）。火星2020将在佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射。 参考： https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-mars-2020-rover-is-put-to-the-test