科学前沿：火星探测的科学研究进展 | 2021科学发展报告

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《》是中国科学院发布的年度系列报告《科学发展报告》的第24部，旨在全面综述和分析2020年度国际科学研究前沿进展动态，研判和展望国际重要科学领域研究发展趋势，揭示和洞察科技创新突破及快速应用的重大经济社会影响，观察和综述国际主要科技领域科学研究进展及科技战略规划与研究布局，评述和介绍国内外主要科学奖项的获奖工作，报道我国科学家具有代表性的重要科学研究成果，概括我国科学研究整体发展状况，并向国家决策部门提出有关中国科学的发展战略和科技政策咨询建议，为国家促进科学发展的宏观决策提供重要依据。

本文分享科技前沿《火星探测的科学研究进展》一文。

火星探测的科学研究进展

火星探测始于20世纪60年代初，美苏之间的太空竞争引发了第一轮火星探测热潮，美国和苏联先后成功对火星实施了飞掠、环绕和着陆探测。90年代后，随着苏联的解体，美国独自开启了第二轮火星探测的序幕，多个国家也相继加入了本轮火星探测热潮。迄今，人类已实施了47次火星探测任务。目前在火星周围和火星上运行的探测器达12个，包括8个环绕探测器、3个火星车和1个着陆器，数量之多居地外行星之冠。

▲ 火星探测历史概览

图中蓝色、褐色和橙色字分别表示环绕器、着陆器和巡视车

火星研究主要涉及以下三方面的重大科学问题：第一，类地行星的形成和演化。火星是离太阳第四近的行星，它记录了太阳系早期演化的历史。第二，行星宜居性。火星是与地球相邻的类地行星，通过火星和地球的比较研究，可更好地理解地球的过去、现今和未来演变趋势。第三，地外生命。过去和现在火星是否存在生命，一直是人们最为关注的问题。

2020年7月，阿联酋的“希望号”、中国的“天问一号”、美国的“毅力号”火星探测器先后成功发射。2021年，这些探测器相继成功抵达火星，火星探测迎来了新一轮热潮。“天问一号”任务在世界航天史上创下纪录，首次实现通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视探测三大目标。这次任务迈出了我国火星探测的第一步，也标志着我国深空探测实现了从地-月系统到行星际的跨越。

▍我国首次火星探测任务“天问一号”的科学研究进展

1. “天问一号”的科学目标、任务和载荷配置

我国首次火星探测任务也是围绕火星地质、环境和宜居性等前沿重大科学问题而展开。

“天问一号”火星探测任务的科学目标包括：①火星形貌与地质构造特征；②火星表面土壤特征与水冰分布；③火星表面物质组成；④火星大气、电离层及表面环境特征；⑤火星物理场与内部结构。“天问一号”火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器包含进入舱和火星车，环绕器开展火星全球性多手段遥感详查探测。

“天问一号”的主要探测任务包括：大气电离层及行星际环境、表面和地下水冰、火壤分布和结构探测、地形地貌特征及其变化、表面物质成分的调查和分析。为此，环绕器配置有中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪总共7套有效科学载荷。

“祝融号”火星车开展巡视区的多手段精细探测，主要探测任务包括：地形地貌和地质构造，火壤结构（剖面）和地下水冰探查，表层物质的元素、矿物和岩石类型，磁场和气象探测等。为此，火星车配置了表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、车载次表层探测雷达、表面磁场探测仪、火星气象测量仪总共6套有效载荷。

2. “天问一号”火星探测器的阶段性进展

“天问一号”探测器于2020年7月23日发射；2021年2月10日进入环火轨道，对着陆区开展科学探测；5月15日实施着陆巡视器和环绕器分离，并实现着陆巡视器软着陆于乌托邦平原南部预选着陆区（109.925°E，25.066°N，高程-4099.4m）；5月22日，“祝融号”火星车驶达火星表面；8月15日，“祝融号”完成了90个火星日（约92个地球日）的巡视探测任务，获取了巡视区域地形地貌、雷达、磁场、气象，以及特定岩石、土壤典型目标的光谱数据等约10GB的原始数据。之后， “祝融号”继续开展拓展巡视探测，截至2022年5月7日累计行驶1921m。环绕器已开展火星全球遥感探测，同时为火星车提供中继通信。

▲ 火星巡视车在乌托邦平原南部的行驶路径（a）、火星车与着陆器合影（b）、周围的火壤物质和沙丘地貌照片（c）

资料来源：国家航天局.http：//www.clep.org.cn/n6189350/n6760313/index.html

“天问一号”所有科学载荷获取的数据，经过地面应用系统科研人员相关处理和质量验证，制作成标准的数据产品后，通过中国探月与深空探测网行星探测工程科学数据发布系统（http：//www.clep.org.cn/）、月球与行星数据发布系统（https：//clpds.bao.ac.cn），以月为周期面向科学研究团队开放数据申请。为了高效和高水平推进“天问一号”数据科学研究，首次火星探测任务总师系统和科学研究专家委员会精心组织科学家队伍，开展科学研究以及学术研讨。同时，中国科学院等多家单位已部署项目，用于支持“天问一号”火星科学数据研究。来自中国科学院以及高校和行业的数十家研究机构的科学家已牵头申请了“天问一号”所采集的数据，并开展相关科学研究，分析乌托邦平原南部着陆巡视区的地形地貌、水冰作用、地下分层结构和磁场、空间物理等科学问题，已取得初步科学研究成果。

▍2021年重要进展

2021年，是火星探测历史上不寻常的一年，在科学研究和探测方面均取得了不少收获。

在科学研究方面，一是获得了火星内部结构新认识。行星地球物理学家基于2018年美国发射的“洞察号” （InSight）着陆探测器获得的火震数据，揭示出了火星具有薄的壳（20km 或37km）、较冷的幔（约1530km）和较大的熔融核（1830km），这是科学家第一次利用火震数据获得火星的内部结构，也标志着火星内部结构演化研究向前迈出了重要一步。二是在火星天气、气候和环境研究等方面取得了新进展，建立了火星高时空分辨率的全球大气数据库，为研究年际、季节和日变化的火星气候变化（包括沙尘、水冰云、气温等）以及完善全球大气环流模型提供了重要依据；利用ExoMarsTGO环绕器获得的大量10~120km 高度大气一氧化碳（CO）实测数据，观测到火星全球尺度上氘原子（D）和氢原子（H）的比值（D/H 比值）随高度变化，获得火星大气循环的新认识。2021年12月6日，ExoMarsTGO环绕器荷载的高精度超热中子探测仪在水手峡谷（VallesMarineris）的观测显示，地下可能有大量水的证据，主要以冰或者含水矿物的形式存在。

▲ “洞察号”地震观测揭示的火星内部结构示意图

从内到外分别为火星的核、幔和壳

在探测方面， “希望号”和“天问一号”这两个环绕探测器均已开始科学探测，大大增强了火星大气和空间环境探测能力， “毅力号”和“祝融号”火星车也分别开启了对耶泽罗撞击坑古湖泊三角洲沉积区和乌托邦平原南部盆地的巡视科学探测。作为美国国家航空航天局和欧洲空间局联合制订的2031年火星采样返回计划的第一步，“毅力号”已开始在耶泽罗撞击坑钻取地质样品，这是人类首次在火星上开展采样工作，样品预计在10年后取回地球。此外，“毅力号”还首次实现了在火星上无人直升机飞行，获得原位利用二氧化碳制备氧气试验的成功。

▍未来研究展望

火星探测的重点已从寻找水的踪迹转变为地外生命探寻。火星宜居性研究和生命信号搜寻依然是未来火星探测的前沿。目前在火星上有多台探测器运行，包括在轨的MarsOdyssey、MEX、MRO、Mangalyaan （印度）、MAVEN、ExoMarsTGO、“天问一号”等环绕探测器，地面的“好奇号” “毅力号” “祝融号”火星车和“洞察号”着陆探测器，具备了天-地联合、多点组网观测能力，正在催生火星立体探测新模式。火星科学研究已进入新发展阶段。2022年有欧洲空间局和俄罗斯联邦航天局联合研制的ExoMars-2022号火星探测器发射，预计2023年抵达火星开展探测。

近20年所获得的火星环境连续观测资料，使年际、季节和日尺度环境和气候变化规律研究已成为可能。在未来几年，有望在火星气候演变、甲烷气体来源、极地冰在火星气候演化中的作用、中低纬度地下水/冰探测、大型沟壑成因、生命线索等火星宜居性研究的若干科学重要问题方面取得突破。

行星内部是行星动力学演化的引擎，也是制约行星宜居性演变的重要因素。虽然内部研究面临很大挑战，但是“洞察号”的最新科学进展令人鼓舞，期待未来在火震及内部结构研究方面有更多探测和科学发现。火星内部发电机（即火星核产生磁场的磁流体动力学过程）停止时间、驱动机制是待解决的重大科学问题。“祝融号”火星车正在获取乌托邦平原南部表面磁场数据，这是人类首次在火星表面开展磁场高精度测量。未来几年，结合在轨探测器和在地面着陆器和巡视车的精确磁场测量，在火星内部发电机研究方面有望取得突破。

随着数据量和复杂度增加，大数据人工智能和机器学习将在火星科学研究领域发挥越来越重要作用。另外，地球上的火星类比环境研究、实验室模拟实验及天体生物学研究等，正在逐步成为火星科学研究新的生长点。

最为令人期待是火星采样返回任务。美国和中国都制订了未来10年火星采样返回计划，“毅力号”已在耶泽罗撞击坑实施样品采集。可以预料，像采样返回为月球研究带来的重大突破一样，火星采样返回任务的实施将为火星研究带来科学和技术的革命。

我国火星科学研究将进入快速发展时期，为此提出以下建议。

• 以我国行星科学学科建设为契机，以“天问一号”首次火星探测任务为抓手，加快行星科学的优秀青年人才培养和队伍建设，及早补齐科学研究的短板。

• 以火星宜居性及演化重大科学问题理论创新和火星采样返回科学研究为导向，加大专门研究经费支持力度，倾斜支持科学目标牵引下的科学载荷研发，提升重大科学发现和原始创新能力。

• 加强火星科学研究的国际合作、科普文化建设，共建开放、合作的健康学术生态，形成创新研究新局面。

希望我们能够坚持科学与技术双轮驱动，不断获得原始科学发现、做出重要创新性成果，更好地服务国家深空战略发展需求，为人类文明进步贡献智慧和力量。

参考文献（略）

本文摘编自《》（中国科学院编. 北京：科学出版社，2022.6）一书“第二章 科学前沿”，有删减修改，标题为编者所加。

中国科学院年度报告系列

（本文编辑：刘四旦）

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