作者：王铮
中国科学院国家空间科学中心
空间天气学国家重点实验室
1964年11月28日发射的“水手4号”（Mariner 4）是美国国家航空航天局（NASA）发射的一系列以飞越星球的方式进行的星际探险中的第4个火星探测器，而它是我们人类第一个成功飞越火星的宇宙飞行器。它拍摄的一系列照片，是人类探测器第一批靠近火星时拍摄的火星表面照片。
水手4号
实际上，水手3号和4号是一起生产的深空探测器，共同组成了美国NASA在1964年的“水手-火星”（Mariner-Mars 1964 project）探测计划。然而，如我们所知，宇宙之广之大，星际航行是“差之厘毫、谬以千里”的，1964年11月5日水手3号发射，1小时后就出现故障，最终没能赶在时间允许的范围内挽回，由于飞行速度不够，不论再进行什么操作，水手3号都将与火星相差数百万英里，发射仅仅8小时后就宣告任务失败。但好消息是，仅仅三周之后，水手4号就发射并开始了它长达7个半月的旅途。
水手3号计划的轨道（左）和相关纪念邮票等（右）
水手4号和3号探测器基本一致。它的主体由八角形镁合金结构组成，对角线长度1.27米、高度0.457米，带有4个长度为6.88米的太阳能面板。构造顶端有一个直径1.168米的高增益碟形天线，而在旁边2.235米高的杆上带有一个低增益全向天线。八角形框架里容纳了电子设备、缆线、推进系统、姿势控制系统等。它携带的科学仪器包括磁强计、尘埃侦测器、宇宙射线望远镜、太阳等离子体探针和盖格计数器等，最重要的是，在底部的中央有个相机（电视摄像机）。
1963年正在测试中的水手4号
1965年，正是这相机让人们激动不已。水手4号于1965年7月14日、7月15日飞越火星，距离火星最近的距离是9846千米，大约1万公里。7月14日15:41:49 UT（UT是世界时的缩写，大致为格林尼治时间）水手4号启动行星科学模式，从7月15日00:18:36 UT开始，交替以红、绿滤镜拍摄取得21张照片，并以21行相加得到第22张照片。相片覆盖了火星地表不连续的条带，大约开始于火星北纬40°、东经170°，最后到南纬35°、东经200°，拍摄了火星大约1%的地表。在南纬50°、东经255°处探测器穿过昼夜交界线。在这次飞越过程中，照片储存于水星4号上的磁带记录器中。
水手4号上的磁带记录器
水星4号飞到火星背面后信号中断，之后重新取得联系后发回数据，发送的信号一直持续到8月3日，每段数据都传送两次以确保没有资料遗失或损毁，传回的数据总计5.2 Mbits（用我们平时常用的数据单位，大约是634 kB）。信号穿越了遥远的太空，带宽也非常有限，光是这22张照片的数据，就传输了超过6个小时。
接下来我们来看看几张当年珍贵的照片：
下图是水手4号拍摄的第一张火星数字照片：
水手4号拍摄的第一张火星数字照片
而下边这张则是第一张火星近距离照片。照片的中心位置是北纬37°、西经187°，展现的区域大小330千米×120千米，图像分辨率大约是5千米。
第一张火星近距离照片
再下边这张照片是我们相对比较经常见到的一张，它是水手4号在距离火星最近的时候拍摄的火星表面照片。在这张照片中，我们能看到非常清晰的环形山。
水手4号在距离火星最近的时候拍摄的火星表面照片，能看到清晰的环形山
这张充满了陨石坑、死寂世界的照片，终止了大众对火星浪漫的幻想，尽管科学家们对此早已心知肚明。水手4号探测的各项数据对于火星的进一步研究起到了很大的推动，例如探测到的火星大气比之前预期的要薄的多，根据探测估计的火星表面大气压为4.1至7.0毫巴（410～700帕斯卡），在白天表面气温摄氏-100度，没有侦测到磁场（后来我们知道火星有局地磁场）。
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