真實(shí)的火星照片到底長(zhǎng)什么樣？

張雪松

有誰(shuí)拍過(guò)火星照？

“天問(wèn)一號(hào)”是我國(guó)成功抵達(dá)火星的第一個(gè)探測(cè)器，但在我們中國(guó)之前，美國(guó)、蘇聯(lián)、歐空局和印度先后成功發(fā)射過(guò)火星探測(cè)器。

1965年發(fā)射的美國(guó)“水手4號(hào)”是首個(gè)抵達(dá)火星的探測(cè)器，在人類(lèi)歷史上首次抵近拍攝了第一張火星照片。后續(xù)的“水手9號(hào)”是第一個(gè)進(jìn)入火星軌道的探測(cè)器，它拍攝了大量火星照片，覆蓋了火星超過(guò)80%的表面，發(fā)現(xiàn)了大量的火山、峽谷和河床，著名的水手峽谷就得名于“水手9號(hào)”。

蘇聯(lián)在航天競(jìng)賽中也不甘落后，屢敗屢戰(zhàn)，其“火星2號(hào)”和“火星3號(hào)”探測(cè)器成功入軌，并拍攝了大量的火星照片。“火星3號(hào)”的著陸器還成功降落到火星表面，不過(guò)該著陸器僅發(fā)送了20秒的信號(hào)就失去聯(lián)系，人類(lèi)首張火星表面的照片很模糊，無(wú)法辨認(rèn)出任何細(xì)節(jié)。

美蘇之后，日本也試圖發(fā)射火星探測(cè)器，但“希望號(hào)”探測(cè)器沒(méi)能進(jìn)入火星軌道。

歐空局的“火星快車(chē)”是用俄羅斯“聯(lián)盟號(hào)”火箭發(fā)射的，它成功進(jìn)入火星軌道，也拍攝了不少火星照片。“火星快車(chē)”到現(xiàn)在仍在穩(wěn)定工作，還將為我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”提供通信中繼。

歐空局和俄羅斯還聯(lián)合發(fā)射了火星痕量氣體軌道器，它的相機(jī)功能更為強(qiáng)大。

印度于2013年成功發(fā)射了第一個(gè)火星探測(cè)器“曼加里安號(hào)”，它成功進(jìn)入火星軌道并拍攝了不少照片，并在官方網(wǎng)站展示。

阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”探測(cè)器由美國(guó)科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制，并購(gòu)買(mǎi)了日本H-IIA火箭的發(fā)射服務(wù)，已成功進(jìn)入火星軌道。2月14日，阿聯(lián)酋政要紛紛在社交媒體發(fā)布了“希望號(hào)”探測(cè)器拍攝到的第一張火星照片。

總而言之，加上我們中國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”，已經(jīng)有6個(gè)國(guó)家和地區(qū)的探測(cè)器飛到火星并拍照了。

火星拍照的秘密

我們常見(jiàn)的火星照片可以分為黑白照片和彩色照片，但顏色只是人為定義的，其實(shí)質(zhì)是不同波長(zhǎng)的光。人眼感覺(jué)到的光波波長(zhǎng)范圍為400～760納米之間，這個(gè)波段被稱(chēng)為可見(jiàn)光，只是光波很窄的一部分。人眼視網(wǎng)膜上的視桿細(xì)胞感受光線(xiàn)的亮度，而視錐細(xì)胞分辨光波的波長(zhǎng)（也就是顏色），視網(wǎng)膜上的3種視錐細(xì)胞分別感受藍(lán)、綠和紅光，三原色疊加出五彩繽紛的世界，火星探測(cè)器攜帶的遙感相機(jī)也與之類(lèi)似。

航天遙感相機(jī)可以分為全色相機(jī)和多光譜相機(jī)。

全色相機(jī)是單波段相機(jī)，拍出來(lái)的照片是500～750納米的可見(jiàn)光灰度，也就是我們常說(shuō)的黑白照片。

而多光譜相機(jī)顧名思義是多波段的相機(jī)，相機(jī)CCD傳感器接收光信號(hào)前會(huì)有一個(gè)分光過(guò)程，通過(guò)分光器或RGB濾光片讓不同波段的光分別通過(guò)成像，然后合成疊加成彩色照片。一般來(lái)說(shuō)，能拍多光譜彩照的相機(jī)也能拍全色灰度照片，而且沒(méi)有分光帶來(lái)的能量降低等問(wèn)題，多光譜照片的空間分辨率一般只有全色照片的1/4左右。

對(duì)于航天遙感來(lái)說(shuō)，多光譜成像固然重要，它可以拍出我們喜聞樂(lè)見(jiàn)的彩色照片，而且不同物質(zhì)成分的輻射光譜不同，還能用于分辨物質(zhì)組成，但全色成像的空間分辨率高，同時(shí)清晰度和對(duì)比度更高，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是照片質(zhì)量更好。如果我們想要一張照片有更多細(xì)節(jié)，那當(dāng)然要使用全色模式，既然不使用濾光片分光，最終拍出來(lái)的就是黑白照片。

以“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器來(lái)說(shuō)，根據(jù)“天問(wèn)一號(hào)”拍照時(shí)距離火星220萬(wàn)千米的距離，以及照片上火星的大小和像素推斷，“天問(wèn)一號(hào)”的首張火星照片是使用高分辨率相機(jī)拍攝的，國(guó)家航天局特意表示，這次成像模式采用黑白成像。其實(shí)道理并不復(fù)雜，雖然這部高分相機(jī)也有多光譜模式，但分辨率只有全色模式的1/4，如果換成多光譜的彩色照片，照片就會(huì)太模糊且很難分辨細(xì)節(jié)了。

火星照片上色不易

有趣的是，不久后，官方又發(fā)布了“天問(wèn)一號(hào)”第一張照片的彩色照片，這是對(duì)全色照片上色的結(jié)果，并非重新拍攝了一張彩色照片。

話(huà)說(shuō)回來(lái)，從來(lái)沒(méi)人去過(guò)火星，我們?cè)趺茨鼙ＷC彩色照片和我們?nèi)庋劭吹降囊粯幽兀?/p>

彩色照片是不同顏色的影像合成的結(jié)果，但即使在地面上，由于光照環(huán)境的不同，相機(jī)拍出的顏色也經(jīng)常和我們看到的不一致，需要調(diào)整照片的色溫，也就是白平衡。

火星環(huán)境和地球表面大相徑庭，無(wú)論是光線(xiàn)強(qiáng)度、物質(zhì)成分還是溫度都有很大的區(qū)別。如此差距極大的環(huán)境下，拍攝火星的彩色照片，后期處理需要調(diào)整的參數(shù)就更多了。

航天遙感相機(jī)的彩色校正一直是相機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵，各國(guó)遙感相機(jī)的后期處理方法各不相同，反映在照片上就是哪怕對(duì)火星同一區(qū)域拍攝的照片，在顏色上也會(huì)有細(xì)微甚至不小的區(qū)別。

既然如此，那么到底誰(shuí)拍的才是最真實(shí)的彩照呢？

火星軌道器很難為相機(jī)找到合適的參照物，只能根據(jù)各自的地面校正結(jié)果，“公說(shuō)公有理，婆說(shuō)婆有理”，但火星車(chē)截然不同。以美國(guó)的“好奇號(hào)”火星車(chē)和“毅力號(hào)”火星車(chē)為例，這些火星車(chē)上專(zhuān)門(mén)攜帶了矯正顏色的標(biāo)準(zhǔn)色卡，這些地面已知顏色的色卡，在火星表面作為標(biāo)準(zhǔn)參照物，能讓多光譜相機(jī)最大限度地還原火星表面的顏色。我國(guó)的“嫦娥四號(hào)”著陸器就使用國(guó)旗作為參照物校正顏色，這次“天問(wèn)一號(hào)”的火星車(chē)很可能也使用國(guó)旗或是效果更好的標(biāo)準(zhǔn)色卡，為我們帶來(lái)火星的真實(shí)彩照。