官宣了！14亿中国人收到了一份珍贵的新春礼物 。 2月10日晚间 ， 我国首次火星探测任务“天问一号”探测器顺利进入近火点高度约400千米、周期约10个地球日、倾角约10o的大椭圆环火轨道 ， 成为我国第一颗人造火星卫星 。 “天问一号”历时六个月零十八天、共计飞行4.65亿余公里 ， 成功抵达火星 。
“天问一号”将为我们带来什么？
科学家们希望它回答些什么问题？
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“天问一号”探测器飞行图像飞行图像（图源：国家航天局）
1877年 ， 乔凡尼·斯基亚帕雷利在火星表面观测到‘canali’（水道）被英语翻译误译为‘canal’（运河） ， 揭开了人类对火星生命长达百余年的争论和探索 。
【火星|行星学者聊火星系列二：“天问一号”环绕器眼中的火星】一方面 ， 观测结果显示火星曾是太阳系内与地球表面环境最为接近的行星：古湖泊、古河道、冲积三角洲、“水手”大峡谷以及位于火星南极的干冰极盖……这些观测资料揭示了火星遥远过去液态湖、海的存在证据 ， 并进一步引发了人类对火星生命和火星宜居性的好奇与猜测 。
另一方面 ， 当前的火星表面环境十分恶劣——不足地球标准大气压1%的稀薄大气；平均零下63度的低温条件、干燥的表面环境暗示着火星古气候曾经遭遇的巨大“灾难” 。 其最终导致火星古海洋、古湖泊慢慢干涸 ， 尘暴肆虐 。
正如两千余年前 ， 诗人屈原彷徨慨叹而作“天问”；如今的火星科学也尚存难题 ， 并思考这些问题背后的成因和警示：
火星存在过生命吗？
火星的宜居性如何？
火星环境剧变是否存在？
触发剧变的原因是什么？
“火星生命和宜居环境”以及“火星与太阳系演化历史”正是我国“天问一号”探测器的主要科学目标 。 从具体研究内容来看 ， “天问一号”要研究的“课题”包括：火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征以及火星物理场与内部结构 。
在入轨之后 ， “天问一号”环绕器经过短暂的调试 ， 就要围绕上述科学问题开展就位探测任务 ， 虽然正值春节 ， 它可要努力工作 。 “天问一号”环绕器共配置了7种有效载荷 ， 包括次表层探测雷达、中分辨率相机、高分辨率相机、火星矿物光谱分析仪、火星离子与中性粒子分析仪、火星磁强计、火星能量粒子分析仪 。 它们又都是做什么用的呢？
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搭载在“天问一号”环绕器上的7种科学载荷（图源：行星事务所）
环绕器次表层雷达通过发射10～20兆赫兹和30～50兆赫兹频段的电磁波 ， 能对火星表层深度约100米的土壤成分、约1000米厚的冰层进行探测 。 探测结果能够对火星表面和浅表层水冰、土壤类型以及火星地形、地貌分布进行成像 ， 有助于量化研究火星水冰的全球性分布情况 。
环绕器搭载的两台不同分辨率相机均覆盖可见光波段 。 中分辨率相机的优势在于对大范围的火星表面地形地貌成像 ， 在卫星轨道变化的过程中对火星陨石坑、火山、河道等地形地貌的全球分布成像 。 高分辨率相机则能够对具体的地貌特征进行详细成像 ， 对火星地表水冰等重点探测目标进行尝试性追踪 。 也就是说 ， “天问一号”拍摄火星 ， 既要看“大局” ， 又要看“细节” 。
火星矿物光谱分析仪能够根据火星表面不同矿物成分光谱吸收峰的不同 ， 对矿物种类、空间分布进行区分和探测 。 这些矿物成分映射着火星地质演化历史 ， 它们也是揭示火星气候演化历史的关键线索 。
火星浅表层之外 ， 就是火星的大气成分 。 火星大气在太阳辐射、火星自转等因素的作用下 ， 形成风、沙暴等火星天气现象 。 而火星大气的顶部区域 ， 一部分大气分子和被太阳辐射等能量源电离的离子成分通过逃逸的方式散佚在茫茫太空 。 火星离子与中性粒子分析仪就是用来研究火星大气的 ， 它能够对火星高层大气的离子和中性逃逸成分进行测量与估算 ， 并衡量这些损失对火星大气演化造成的影响 。
距离火星表面800千米以上的高空 ， 是火星磁层的分布区域 。 由于火星缺乏类似地球的全球性磁场 ， 来自太阳的高能粒子成分能够直接与火星高层大气接触 ， 这一过程加剧了火星大气成分的损失 。 环绕器上搭载的火星磁强计与火星能量粒子分析仪则分别测量火星空间环境的磁场以及太阳风粒子成分 ， 对火星大气、电离层与太阳风成分的相互作用过程展开进一步探讨与研究 。
总结一下 ， 搭载在“天问一号”环绕器上的7种科学载荷 ， 完成了从火星地下约100米深的浅表层区域至火星表面、大气圈层、电离层、6000公里高度磁层-太阳风区域的全球性覆盖式探测 。 在接下来的几个月中 ， 它们返回的珍贵资料将成为进一步揭示火星生命、火星环境气候演化的研究的重要助力 ， 也将为我国未来火星探测提供经验与基础 。
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国家航天局公布“天问一号”获取的首幅火星图像（图源：国家航天局）
我国“天问一号”探测器将和已于2月9日入轨、计划开展火星气候环境探测的阿联酋“希望号” ， 以及计划于2月18日着陆并开展火星表面环境实验的美国国家航空航天局“毅力号”火星车一道 ， 为揭示火星气候演化历史与警示以及恶劣环境下的宜居性测试等面向未来的重要科学问题贡献力量 ， 火星的“面貌” ， 也将因此而越来越“清晰” 。
文/范开（中科院地球与行星物理院重点实验室博士后）
魏勇（“天问一号”首席科学家助理、国科大行星科学教授、2020年“科学探索奖”获奖人）
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