探測狂暴的火星天氣

張唯誠

目前，我國首個火星探測器“天問一號”的著陸器與“祝融號”火星車已成功登陸火星，并按照計劃開展著陸區地形地貌、氣象環境分析等工作，為我們更好地了解關于生命起源中大分子的合成和功能等各方面的問題提供了便利。以下就讓我們來具體了解此次火星探測的任務之一：

兇猛塵暴肆虐火星

灰塵越來越密，小塊的灰團像野火中的煙霧一樣在大氣中旋轉，本應充滿陽光的正午變得像黃昏，接著又成了黑夜。在不到一周的時間里，沙塵暴的范圍超過了美國本土面積的2倍，并最終覆蓋了整個星球。這里不是地球，一場沙塵暴正在肆虐火星。

塵埃對火星天氣的影響，就像水對地球天氣的影響一樣重要。由于沒有海洋，水汽稀少，大氣稀薄，火星上的天氣有半年時間是平靜的（火星上的一年相當于地球上的687天），然而，當火星運行到離太陽較近的地方時，塵暴季節就開始了。

塵暴季節持續了約10個月，在火星南半球相當于春季和夏季。這時節，相對較強的陽光使大氣變暖，空氣從溫暖的地區流向寒冷的地區。大氣流動帶來強風，風揚起沙塵，沙塵吸收陽光，使大氣變得更暖，產生更強的風，從而揚起更多的沙塵。

這些風暴的規模各不相同，局部風暴的持續時間可達3個火星日（每個火星日為24.5小時）。若是全球風暴，就可以“吞噬”這顆星球達數月之久。

要摸透火星塵暴的脾氣，科學家們需要有關火星氣象的數據，這些數據應該有助于解釋灰塵是如何被拋入空中并形成行星范圍的風暴的，以及是什么讓這種風暴能夠持續數周或者數月。然而，盡管經過了近50年的研究，火星氣象的一些關鍵性數據仍然缺乏。這些數據來自哪里？主要還是火星探測器對火星天氣狀況的探測。

1971年，美國宇航局的“水手9號”火星探測器發現火星的表面完全被沙塵所遮蔽。這以后，火星的全球塵暴就一直在影響著人類的火星探測行動。2007年，“機遇號”和“勇氣號”都遭遇了全球塵暴。2008年，一場覆蓋遼闊區域的塵暴結束了“鳳凰號”著陸器的探測使命。

火星上的“好奇號”漫游車。照片由“好奇號”自拍于2012 年10 月。

火星上的“好奇號”漫游車。這張照片由“好奇號”自拍于2020 年2 月，與2012 年的自拍照相比，可見火星塵暴環境對“好奇號”的沖擊。

中國火星探測器“天問一號”的漫游車“祝融號”對火星的溫度、氣壓、風速和風向等進行探測。（模擬圖）

幸運的是，“水手9號”是環繞火星軌道飛行的探測器，并沒有著陸計劃，它只需等待塵暴結束便可以拍攝火星表面的照片。但是，這場特大塵暴竟然持續了半年時間才漸漸平息。

預報天氣迫在眉睫

發射火星探測器，科學家們除了需要等待大約每26個月打開一次的發射窗口外，還要注意探測器到達目的地時將面臨怎樣的環境。這其中最重要的環境因素是大氣的密度。盡管火星的大氣對火星表面施加的壓力只有地球的1%，但稀薄的火星空氣和火星風還是會減緩航天器的速度，并影響它的著陸點。因此，在這種時候，人們需要預測火星上的天氣。

通常，工程師們使用過去的數據以預測未來，問題是他們目前可以利用的數據比較少，這為火星天氣預報帶來了不小的困難。與此同時，隨著火星探測任務變得越來越復雜，特別是考慮到人類會在未來登陸火星，應對火星塵暴就顯得格外緊迫了。到那時，科學家們會更加迫切地想知道塵暴會在何時何地發生，因為火星灰很容易侵入人類的居住地，堵塞空氣過濾器。假若吸入體內，它們還會損害宇航員的肺部，甚至可能攜帶有毒和致癌的物質，使宇航員在執行任務時罹患疾病。

預測地球的天氣時，氣象學家能夠動用數千個地面氣象站，以及來自衛星、氣球和飛機的氣象數據。但火星上空只有6顆活躍的衛星和2套氣象儀器從火星表面發回數據。其中，一套氣象儀器搭載在“好奇號”火星探測器上，從2012年起開始收集數據;另一套幾乎相同的儀器是2018年由“洞察號”無人著陸探測器帶往火星的。然而，這2個探測器實際上是相鄰的，這對了解整個火星的天氣狀況來說是一大弱點。

收集數據任重道遠

幾十年來，火星氣象學家一直試圖對火星風進行詳細的測量，但運氣總是不太好。只有5次火星地表任務提供了關于地表附近風速和風向的有用數據。執行這些任務的探測器，有1976年的“海盜1號”和“海盜2號”、1997年的“探路者號”，還有正在執行使命的“好奇號”和“洞察號”。但即使這樣，結果也不盡如人意。

到目前為止，火星上最好的風力記錄仍然是由40年前的“海盜號”火星探測器提供的。原本“好奇號”火星探測器安裝有一對電加熱的吊桿，用來對各個方向的風進行直接測量，但“好奇號”的自拍照顯示，在著陸時，其中一根吊桿損壞了，無法使用。在火星上執行任務的最初的1490天里，“好奇號”只能在風迎面吹來的時候進行測量。隨后，在2016年10月，它的第2個安裝在吊桿上的傳感器也損壞了。研究人員希望能從“好奇號”的溫度傳感器中獲取有關火星風的數據，但非常不易。

正因為如此，最近一波抵達火星的探測器就特別令人期待，它們都擔負著研究火星氣象的使命。阿聯酋的火星探測器“希望號”將從空中觀測火星天氣。在火星軌道上運行一年后，“希望號”收集的數據還將有助于繪制一幅關于大氣如何每天變化及季節如何轉換的火星全年氣候變化的圖像。此外，2021年初登陸的“毅力號”火星探測器也將有所作為，它將對火星上的風速和風向進行迄今最為有效的直接測量。

接下來登場的就是我國的“天問一號”火星探測器了。“天問一號”火星探測器上配置有多光譜相機、次表層探測雷達、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀和地形相機等設備。與此同時，它還擁有一臺火星氣象測量儀，它的任務就是在著陸區開展氣象巡視探測，收集有關火星溫度、氣壓、風速和風向的數據。

在未來的火星探測任務中，火星氣象預報是如此重要，以致于人類的任何一次火星之旅都與之息息相關。火星氣象研究是人類探測火星繞不開的課題，“天問一號”火星探測器將為我國火星氣象研究打開全新的局面。