火星探测的主要 科学问题

目 录 一、火星探测的历程与未来计划 二、火星探测的主要成就 三、我国火星探测“探”阶段的规划建议 四、2009年-中俄合作火卫-1探测

View Mars by Hubble Space Telescope Flight into Mariner Valley

一、火星探测的历程与未来计划 自上世纪60年代首次实现火星探测开始，迄今为止，一共进行了38次火星探测，成功17次。火星的探测取得了大量有价值的成果。 火星探测可以划分第一次高潮、宁静期、第二次高潮三个阶段： 第一次高潮（1960~1975年）：前苏联 “火星探测器”系列、 “火星号”系列 和“宇宙号”系列；美 国1964~1971年“水手号”系列和1975年“海盗-1、2”探测器。 火星探测宁静期（1976~1992年）：约17年时间内只有前苏联1988年进行了火卫1的探测。 第二次高潮（1992年~现在）：1992年美国发射了“火星观察者”探测器，相继于1996年发射了“火星全球勘测者”探测器和 “火星探路者” 探测器，特别是进入21世纪以来，美国、欧空局等都实施了火星探测，并制定了详细的探测规划，目前已经完成发射的有美国的火星奥德赛轨道器勇气号/机遇号探测器，火星侦察轨道器以及欧空局的火星快车等探测器，掀起了火星探测的又一次高潮。

美国的火星探测计划 已实现对火星的飞越、环绕、着陆和巡视探测，获取了大量探测成果。 美国NASA近期和中期火星探测任务

2009-2020年火星探测计划 寻找逝去生命的迹象 探索热液生命环境 寻找现在生命 研究火星演化 时间 任务 主题 2009 2011 2013 2016 2018 2020 备注 寻找逝去生命的迹象 低纬度的火星科学实验室（MSL） 侦察任务（Scout） Ground Breaking 火星样品采集(GBMSR) 天体生物学实验室和深钻 所有的任务集中在中纬度地区 探索热液生命环境 热液沉积区的火星科学实验室（MSL） 天体生物学实验室 深钻 任务集中在活性或灭绝的热液沉积区域 寻找现在生命 北极地区的火星科学实验室（MSL） 侦察任务 返回器样品返回（MSR with Rover） 探索现代生命存在环境，风险最大 研究火星演化 低纬度的 火星科学实验室（MSL） 火星样品返回(GBMSR) 上层圈气流研究 观测网 建立在火星不曾有水的基础上

俄罗斯、日本及印度等国家也纷纷出台了火星探测计划 欧空局的火星探测计划 实施Aurora火星探测计划，预计于2033年实现载人登陆火星。 ESA Aurora火星探测路线图 俄罗斯、日本及印度等国家也纷纷出台了火星探测计划

21世纪前半叶，深空探测的主体走向：以月球与火星探测 为轴心的太阳系探测；主要的科学问题是： （1）太阳系的起源和演化； （2）地外生命的探索与生命起源； （3）地外资源、能源和特殊环境的利用； （4）空间天气与空间环境； （5）探讨火星的长期改造与今后大量移民的前景。 为人类社会的持续发展服务。

火星探测的主题——类似地球的行星 （1）与地球进行比较行星学研究和太阳系起源与演化研究；（2）探测水体和生命的信息；探索生命起源。

二、火星探测的主要成就 通过40多年的火星探测，对火星基本物理参数、火星空间与表面环境、大气层、电离层、磁层、地形地貌与地质构造、火星表面物质（岩石、矿物与化学元素）、火星内部结构等方面取得了巨大的成就。

火星大气层 火星大气成分 主要气体 ％ 微量气体 10-6 CO2 N2 40Ar O2 CO H2O 95.3 2.7 0.6 0.13 0.07 0.03 39Ar Ne Kr Xe O3 5 2.5 3 0.08 0.04～0.2

火星大气层 火星大气层的密度和温度随高度的变化 大气压：6—10毫巴（相当于地面35Km高度 ） 大气运动：火星表面温度及气压快速波动，台风与尘暴经常发生。平均温度 -33o，日温差大于100o，夏季达到17o-22o ，冬季-123o- -133o。 火星大气层的密度和温度随高度的变化

火星大气层的温度与水蒸气分布

火星的台风：北纬65度和85度之间，直径1600公里，成份主要是水冰云（尘埃很少）

火星全球性尘暴

火星的地形探测

火星的地形面貌分布明显不对称，南半球绝大部分是撞击地形，北半球高纬度地区多为撞击坑稀少的平原，与月海相似。火星给人印象最深刻的面貌是巨大的盾状火山，Olympus山直径达550公里，比周围平原高25公里，是迄今发现的太阳系最大的火山机构。

火星的地形特征

火星地形分类略图

岩石碎块、沙尘及富铁黏土覆盖，属安山岩、玄武岩的风化产物。 火星表面的成分 岩石碎块、沙尘及富铁黏土覆盖，属安山岩、玄武岩的风化产物。

5°S, 297°E, 2004-03-26, by G. Neukum

Mössbauer spectra show jarosite Opportunity/MRO, 2004-03-02 small-scale cross bedding

Concentrations of Mg, Al, Cl and Br versus S in rocks and soils indicates water alteration L. A. Haskin et al., 2005, Nature Letters, Vol. 436

TES hematite abundance, is overlain on a daytime THEMIS 10W 2E 5N 6S TES hematite abundance, is overlain on a daytime THEMIS Christensen et al., 2001, JGR

Mars Hematite

火星的地形与小型撞击坑

月球撞击作用的时间分布 重力场与撞击坑的直径

撞击坑密度与火星地貌年龄

风的吹扬作用 水手峡谷地区出现的沙丘

水手峡谷 地区 整个谷壁坍塌形成巨大的滑坡，在谷壁上留下凹壁，在谷底形成扇形舌状体。

The change of CO2 and H2O ice in North Polar

MARS ICE

polar layered deposits Martian north polar layered deposits Fishbaugh, 2006, JGR

Colour view of crater with water ice (70 Colour view of crater with water ice (70.5° N,103° E, 35 Km wide, 2 km depth, 15 m/pixel) 2 Feb. 2005, from G. Neukum

火星的极冠与干枯河网

Nanedi Vallis：具有流水成因特点 Parana Valles：具有明显的河流排水系统。

2000-03-19 2001-02-15 Olympica Fossae, 25.98°N, 113.18°W , http://www.msss.com/moc_gallery/

Gullies in Newton Basin (MOC2-320 ) 39.0°S, 166.1°W NASA/JPL, 2002-10-07

Gullies Formation mechanism MGS_88923, 65°S,15° W, NASA/JPL, 1997-12-29

Groundwater sapping – Nirgal vallis Recent (few Myr) outflow from Cerberus fossae Burr et al., GRL, 2002 Groundwater sapping – Nirgal vallis Jaumann, Reiss, 2002

Colour nadir view of Nicholson Crater (100Km wide, 0. 0° S, 195 Colour nadir view of Nicholson Crater (100Km wide, 0.0° S, 195.5°E, 15.3 m/pixel)

Hock, 2004

2.23°, 356.75°, MOC Release No. MOC2-316, 2002-06-27 Partially-Exhumed Crater in Northern Terra Meridiani 2.23°, 356.75°, MOC Release No. MOC2-316, 2002-06-27

Terra Meridiani mesas, 16.87°, 331.23° MOC Release No. M20-01357, 2000-10-23 West Arabia Terra, 8°N, 7°W MOC Release No. MOC2-261, 2000-10-4

Eberswalde Delta, MGS MOC Release No. MOC2-1225, 2005-09-20 In northeast of Holden Crater near 24.0°S, 33.7°W

Water Alteration at Gusev Crater Rocks in the Gusev Crater show evidence for interaction with water highly elevated levels of S, Cl, K, P, Br basaltic chemistry, but highly oxidized and lacking in primary basaltic minerals, IR spectrum fit well by basaltic glass goethite ( FeO(OH), Hydrated Iron Oxide ) fine to coarse layered sediments Spirit landing site

MGS探测器遥感观测解析得到的： 火星的地形图 火星重力分布图 火星地壳厚度图

MGS TES Basalt Map Basalt (Type 1 spectra) concentrated in Southern Highlands Bandfield et al. (2000), Hamilton et al. (2001)

MGS TES Andesite Map Andesite (type 2 spectra) appears concentrated in Northern Lowlands, but also intermixed with basalt in Southern Highlands.Bandfield et al. (2000), Hamilton et al. (2001)

火星表面岩石类型分布图

Distribution of the HCPs and LCPs on Mars (Bibring et al. Science, vol OMEGA confirms the TES mapping of HCPs, obtained at moderate (>3 km) resolution, identifies LCPs at higher resolution (<1 km)

火星表面土壤的化学成分特征 1997年美国的火星探路者号的着陆器用粒子激发X射线谱仪对火星表面物质进行了就位分析，发现土壤分析结果与海盗号相同，岩石成份近似地球安山岩，接近地球地壳的平均成份。

火星岩石成分与地球岩石成分的比较

火星岩石成分与地球岩石成分的比较

月球、火星与地球岩浆结晶过程的比较 月球岩石 火星岩石 地球岩石

月球、火星与地球岩浆结晶过程的比较 月球岩石 火星岩石 地球岩石 地球岩石 火星岩石 月球岩石

鲍文岩浆反应系列-超基性-基性-中性-酸性-碱性 月球：超基性岩+基性岩，橄榄岩，辉长岩，斜长岩，玄武岩； 火星：超基性岩+基性岩+中性岩 橄榄岩，辉长岩，闪长岩，斜长岩，玄武岩，安山岩； 地球：超基性-基性-中性-酸性-碱性岩 超基性岩，斜长岩，基性岩，闪长岩， 花岗岩，正长岩；玄武岩，安山岩， 流纹岩……； 行星演化的成熟度：基性与超基性+中性+酸性，与岩浆演化规律相似（极不充分，不充分，充分）。

月球、火星与地球的磁场 根据月球轨道飞行器测量的结果，月球没有全球性的偶极磁场。在Apollo探测中，只检测到了一个非常弱的磁场大约只有(3～300)×10-9 T。 对返回地球的月球岩石样品剩磁的研究，发现在32亿年前的月球岩石具有较明显的剩余磁场强度。 表明古代月球具有偶极磁场。

火星现在没有全球性偶极磁场，红色代表磁力线方向是从火星内部向外，蓝色代表磁力线方向指向火星内部。

火星与地球一样具有圈层结构，也可以分为壳、幔和核 火星的内部结构 火星与地球一样具有圈层结构，也可以分为壳、幔和核 地球和火星的核分别占整体质量的32％、19％

火星的内部结构模式

火星中心核 由纯铁、14% 硫、25%硫、 37%硫四种组 成情况下密 度与深度的 关系

火星的内部结构和热历史简图

水星、金星、火星与月球的能量随时间的变化

月球、火星与地球演化特征比较 10-14 超基性+基性 超基性+基性-中性 超基性+基性+中性+酸性+碱性 半径（km） 大气压 磁场 内部岩浆演化 活动性 天体生命 月球 1740 10-14 无 超基性+基性 基本终结 火星 3370 0.003-0.005 多极子磁场 超基性+基性-中性 极弱 衰老 地球 6370 1 偶极子磁场 超基性+基性+中性+酸性+碱性 中等（火山、地震） 壮年期

月球-火星-地球内部演化定性比较 月球 火星 地球 表面热流 极小 小 中等 内部结构 极简单 简单 复杂 内部均一化 极不均一 不均一 比较均一 内部能源 演化历史 31 .5亿年前结束 今后~15亿年 今后~45亿年

火星生命之谜

火星生命遗迹的争论 南极冰水的污染 多环芳烃等有机物的非生物成因机制 类似细菌形态微结构的非生物成因机制。 碳酸盐的高温成因 磁铁矿和黄铁矿颗粒的形态及排列 [McKay, 1996 #82] 碳酸盐瘤体的微结构 多环芳烃(PAHs)的特征组成[McKay, 1996 #82] 生物膜(biofilm)的微结构等。 南极冰水的污染 多环芳烃等有机物的非生物成因机制 类似细菌形态微结构的非生物成因机制。 碳酸盐的高温成因

结 论 根据已有的探测成果，火星曾经有过一个统一的偶极磁场，现演化为多极子磁场；有过浓密得多的大气圈，现演化为极稀薄的大气圈；有过液态水和水的地质作用，表面水圈的消失不明，尚未探测到沉积岩的发育；表面有过很适宜的温度，有可能发育过生命。 早期内部有足够的热能，地质-火山作用活跃，但缺乏酸性岩；火星的演化历史比月球复杂，但比地球简单。

三、我国火星探测“探”阶段的建议： 我国深空探测的战略方向与发展规划必须与嫦娥一、二、三期工程有机结合，相互促进，协调发展，形成我国统一的深空探测国家战略与发展计划。 我国有能力力争在实现绕月探测之后，开展首次绕火星探测；在实现月面软着陆与月球车巡视探测（2012年）的基础上，可适时开展首次火星软着陆与火星车巡视探测；在实现月球自动采样返回（2017年）的基础上，发射火星软着陆器探测与自动采样返回）。 积极开展国际合作，使我国的火星探测融入国际主潮流。

火星探测的科学问题 新世纪火星探测的科学问题主要是： （1）进一步探测近火星空间和火星表面的环境——火星磁层、电离层、磁场和重力场的特征； (2) 检测火星大气层的结构，成分、气象和气候特征及其变化规律，寻找过去气候变化的证据，研究火星气象与气候的演化历史及未来变化趋势； (3)精细探测火星地形、地貌、地质构造、土壤与岩石的矿物与化学成分特征，特别是沉积岩的分布范围、区域、岩性和年龄，冰物质的分布与变化特征，火星水体产生、演化与消失过程以及现今埋藏部位； (4)火星内部结构的探测及与地球的对比研究，探讨类地行星的演化史； (5)寻找火星生命存在的间接证据（火星的水体与大气层的甲烷）； (6)在火星上建立观察站和实验室，探测火星资源。

我国火星探测的主要科学目标： 1、基础性的系统探测： 在进行火星电离层、大气层、地形地貌、地质构造、内部结构和物理场探测的基础上，获得高精度火星三维影像和勘测火星表面各类岩石的分布及其成份特征，研究火星的形成演化历史；在学科发展上，建立和发展火星学，比较行星学和太阳系演化学。

火星地质演化过程及壳幔形成和演化机制研究 1、火星地形地貌的特征及其随时空演化特征； 2、火星表面外动力作用如风成作用、物理和化学风化作用等过程对火星地貌的影响； 3、火星撞击成坑的大小、分布、类型及其相对地质年龄； 4、研究火星土壤的形成机制，包括风化和成岩作用； 5、火星火成岩的类型、分布及其演化特征； 6、研究火星壳表面化学成分、矿物组成岩石类型及区划特征等； 7、研究火星岩石的剩磁特征，反演火星磁场的演化

评估火星过去和现在的生命存在环境 1、综合分析火星表面水的活动特征； 2、探测火星次表层是否存在水体； 3、研究火星地质历史时期水的演化模型； 4、研究火星上矿物、冰、气体中生命元素C, H, O, N, P , S的含量、分布及其活动与转换特征； 5、火星上是否存在可支撑生物演化的潜在能源研究。 6、火星碳的地球化学循环

2、重点突破性的探测： 1〉开展火星古海洋与古水系的研究，恢复火星的古地理和古环境，研究火星水体的演化特征。探测地下水的埋藏位置、深度与分布。

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