三問青海火星模擬基地

 

火星與地球地貌

 

我國首個火星模擬基地項目將落戶青海省海西州大柴旦紅崖地區，這裡擁有典型的雅丹地貌群，其獨特的地形地貌、自然風光、氣候條件使之成為專家眼中“中國最像火星的地方”。

 

近日，我國首個火星模擬基地項目將落戶青海的消息，引來各界關注。據報道，該基地將集科學傳播、旅遊觀光、體驗休閒、科學實驗于一體。當地主管部門表示，希望將其打造成我國首個火星文化創意體驗基地。

 

為什麼要建火星模擬基地？這將對火星研究及深空探測帶來哪些影響？科技日報記者採訪了相關領域專家，對此進行了詳細解讀。

 

為什麼建在青海

 

項目所在地——青海省海西州大柴旦紅崖地區，在專家眼中是“中國最像火星的地方”。記者了解到，該地區在地貌、地質和物質成分等方面都有類似于火星的特徵。比如主要地貌為荒漠，植被覆蓋很少；地質上分佈著河流、湖泊乾涸的沉積物；物質成分中有大量氯化物、硫酸鹽等水流蒸發後的殘留物等。

 

中科院國家天文臺研究員鄭永春向科技日報記者介紹，這些特徵有助於開展火星和地球的環境對比研究，根據對地球環境演變的認識，通過反推，可以了解火星過去的樣子。他説，該地區以前的鹽湖乾涸後留下了許多鹽類沉積，這和火星上水流幹之後鹽類的沉積過程是相似的。科學家可以研究這些鹽類在什麼條件下形成，通過鹽類沉積過程推斷過去水的鹽度、當時的環境溫度。還可以根據流水作用的遺跡，推斷火星上曾經的水流情況。

 

為什麼要建火星模擬實驗艙

 

如果説這種野外模擬實驗場是用天然形成的類火星景觀呈現火星的“外表”，那麼科研人員建造的火星模擬實驗艙，則能模擬出更多看不見的“內在”。鄭永春説，火星的大氣壓力約是地球的1%，大氣成分約96%是二氧化碳；平均溫度最高約為20攝氏度，最低晚上可以達到零下100攝氏度，火星上的太陽光照強度比地球上更弱。這些環境條件都可以在艙內模擬出來，以此開展實驗。例如從野外模擬實驗場採集鹽類樣品，放到模擬火星環境下進行結晶實驗，看看火星的鹽類結晶順序跟地球上有何異同。還可以開展微生物生存實驗等。

 

記者了解到，山東大學威海分校空間科學研究院行星科學團隊，就利用火星環境模擬系統，在含氧氯化物相變特徵與光譜原位表徵方面取得重要進展。該研究為火星表面物質遙感、就位光譜的解譯、深入研究火星表面高氯酸鹽的起源新機理奠定了基礎。

 

鄭永春表示，火星模擬實驗艙通常不會太大，可根據不同的研究目的，用它模擬火星大氣成分和壓力、溫度、光照等環境條件。但也有些東西難以模擬。例如火星上極為微弱的磁場、只有地球三分之一的重力等，雖然並非完全無法模擬，但成本很高。

 

無論是野外模擬實驗場還是室內模擬實驗艙，鄭永春認為都將在火星科學研究中發揮作用。“通過探測數據，我們已經知道了火星現在的樣子，研究的目的是要搞清楚它為什麼會變成這樣。”他説，已有許多證據證明火星曾經有濃密的大氣和大規模的水，曾經有溫暖濕潤的氣候，為什麼這些水都逃走了，是怎樣發展到這種狀態的，要了解這些，只能通過模擬實驗把這個過程重現出來。

 

“研究火星可以給我們帶來很多的啟示：地球以後可能會變成什麼樣子。”鄭永春説，火星和地球是太陽系裏的“兄弟”，研究兩者的異同，互為參考，是極具價值的基礎研究。

 

為什麼要開展火星模擬試驗

 

除了在基礎研究領域，模擬試驗也在航天工程中發揮了作用。航天專家、《國際太空》雜誌社執行總編龐之浩介紹説，針對火星探測，國內外已經開展過數次模擬試驗。

 

2011年11月4日，包括中國志願者王躍在內的6名志願者走出封閉艙，標誌著著名的“火星500”試驗結束。龐之浩介紹，該試驗由歐洲航天局與俄羅斯生物醫學研究所合作開展，模擬了250天飛往火星、30天登陸火星、240天返回地球的過程。這次試驗主要對航天員在狹小艙內長期生活而造成的心理反應進行了研究，同時對地火距離帶來的通信延時，以及火星探測器的生保系統進行了試驗。

 

2015年，美國在夏威夷莫納羅亞火山開展了為期一年的火星生存試驗，這次試驗模擬的是航天員在火星基地裏的生活。龐之浩説，該區域沒有動物、植被稀少，跟火星環境相似。6名志願者住在一間直徑11米，高6米的圓形艙內，跟外界幾乎隔絕，只能通過延時20分鐘的電子郵件聯繫。生活物資比較緊缺，每4個月提供一次物資，吃的是罐頭、奶酪粉、冷凍幹貨等。另外每2個月提供一次水。志願者有出艙任務，需要穿上沉重的宇航服，而且氧氣有限。試驗中還模擬了幾次緊急事件，包括電力中斷、工具損壞、強輻射情況下緊急撤離等。龐之浩認為，這次試驗比“火星500”更真實，考驗了志願者的心理承受能力和應急能力。 此外，國內也開展了“月宮365”“太空180”等試驗，都是模擬在太空的長期生活。

 

對於人類未來的火星探測計劃，龐之浩認為還有許多問題需要通過試驗來解決。例如航天器在火星降落時的“恐怖7分鐘”，以及航天員經過長期太空飛行來到火星，微重力變為低重力對體液轉移、骨質、肌肉的影響等。

 

他還介紹，我國嫦娥三號月球車開展地面試驗時，試驗場模擬了月球土壤環境，並通過橫向和縱向的牽引，模擬了月球的重力環境。未來研製火星車時也應該如此。

 

此外龐之浩表示，對火星大氣的危害，目前還沒有開展模擬研究。他説，這些危害主要來自三方面：浮塵、靜電和塵暴。浮塵可能引起阻塞，影響天線、太陽電池板熱交換器、火星服等。火星大氣雖然稀薄，但氣流速度很快，會帶來塵暴，有時能持續幾個月時間。美國第一代火星車旅居者號就是被塵暴覆蓋，導致無法發電。“這都是未來實施載人登陸火星之前要解決的問題。”他説。

 

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火星地形地貌什麼樣

 

火星距離太陽22794萬千米，約為日地距離的1.5倍；自轉軸與軌道平面的夾角為24°，和地球一樣有著一年四季的變化。那麼火星上真實的地形地貌是什麼樣的呢？

 

熒惑似火

 

由於火星上的岩石、砂土和天空是紅色的，肉眼看去，火星是一顆引人注目的火紅色星球，這也是它的中文名稱的由來。

 

砂礫遍地

 

過去三十多年，太空船展示給我們的火星是一個多岩、寒冷、覆蓋在模糊的粉紅色天空之下的不毛之地。科學家們已經發現，今天的火星曾經有過火山活躍時期、存在流星撞擊形成巨大隕石坑、以及瞬間洪水沖刷的痕跡等。

 

狂沙飛舞

 

火星上另一個奇異特徵便是每年都要颳起一次讓人難以想像的特大風暴，風速之大是無法形容的。地球上的大颱風，風速是每秒60多米，風速竟高達每秒180多米。大風暴有時可以席捲整個星球。火星表面的塵暴，是火星大氣中獨有的現象，整個火星一年中有1／4的時間都籠罩在漫天飛舞的狂沙之中。

 

低溫乾旱

 

火星上的平均溫度為零下23攝氏度，由於火星大氣稀薄而乾燥，所以它的晝夜溫差很大，遠遠大於地球上的晝夜溫差。因火星表面溫度低、壓力小，大氣中的二氧化碳和水大致都呈飽和狀態，只要氣溫稍一降低，二氧化碳和水蒸氣就會凝結。

 

火星大氣中的水分極少，科學家估計，倘若把火星上的水冰全部融化成水，也只能在火星表面形成一個10米深的大海。與我們地球表面的波濤茫茫的海洋相比，火星上的水量就顯得微不足道了。（記者付毅飛）