作者：範開、魏勇

作者簡介：魏勇研究員，中國科學院地質與地球物理研究所。

寫在前面

作為中國首個火星探測任務，“天問一號”火星探測是 2021 年國內最被公眾關注的科學大事件之一。“科學探索獎”特別邀請了“天問一號”首席科學家助理、國科大行星科學教授、2020 年“科學探索獎”獲獎人魏勇開設專欄‘行星學者聊火星’，解讀火星探測任務在各個關鍵時間節點上的科學進展。

2021 年 2 月，我國自主研發的首顆火星探測器“天問一號”歷經 6 個多月，跨越 4.65 億公里成功抵達火星。回顧之前的系列文章，“天問一號”的主要科學任務包括調查火星表面環境進而理解火星大氣的演化過程。在我國“天問一號”成功發射之前，國際火星衛星探測任務主要由美國、前蘇聯和歐洲的大型航空航天機構主導。

它們的研究結果顯示，在約 40 億年前，火星表面曾經存在過湖泊與海洋，但是今天的火星表面卻無比干涸，其表面形貌特徵與我國甘肅、青海、新疆等地的雅丹等風蝕地貌類似。為什麼地球的表面仍然存在著海洋而火星的湖泊卻不見了呢？地球的未來可能像如今的火星一樣乾涸嗎？這些有關“火星表面液態水的去向”問題成為科學家關注的重中之重。

圖 1：火星、地球沖積扇衛星照片對比圖

Credit：NASA（左），ESA（右）

如果把火星與地球對比，可以發現不少差異，其中，由兩點區別尤其引人矚目：

火星質量更小、重力僅為地球的 0.38；

火星缺乏內稟磁場，不像地球的地磁場能夠延伸至地表 50，000 公里以上的高空。

引力更小，意味著火星表面的水、乾冰通過蒸發、昇華進入火星大氣後，更容易擴散至高空、被太陽輻射電離，分解成 H+、O+、CO+、CO2 + 等帶電粒子；而火星又缺乏類似地球的“全球地磁場”，這些高空中的帶電粒子在火星向陽面 400 至 600 公里的高度即可進入太陽風、被太陽風電場加速，最終逃逸損失至行星際空間。這一過程，稱為“離子逃逸”，是導致火星表面水成分和大氣損失的重要原因之一，也是歐洲航天局“火星快車”（Mars Express，2003 年）、美國國家航空航天局（NASA）“火星大氣與揮發物演化”（Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN，2013 年）任務的主要科學目標。

圖 2：MAVEN 逃逸離子觀測結果

Credit：NASA

驅動離子逃逸的主要能量來源是太陽輻射和太陽風。當太陽風條件增強時，火星磁層的離子逃逸速率也會成倍上升：譬如中國科學院地質與地球物理研究所魏勇研究員 2011 年的研究結果顯示，當太陽風動壓增強 2 至 4 倍時，火星全球離子逃逸速率升高一個量級。此外，當太陽活動水平較強時，經常伴隨高強度的太陽耀斑、日冕物質拋射使火星處的太陽輻射、太陽風動壓大幅增強。但是，不論是 Mars Express 還是 MAVEN 都是單顆衛星環繞火星開展就位測量、其衛星的軌道週期長達 4~6 個小時，時長遠遠高於火星磁層中的離子逃逸現象對太陽爆發事件的響應時間。

圖 3：MAVEN、EscaPADE 衛星探測軌道示意圖

Credit：NASA

另外，單顆衛星在環繞火星的過程中也無法同時檢測太陽風和火星磁層的變化 —— 當探測器位於太陽風中時，便失去了磁層離子的資訊；而當飛船進入磁層，則無法監控太陽風的變化，也就無法呈現火星磁層對太陽風引數變化的實時響應，所以，為了彌補單顆衛星的探測侷限，NASA 計劃於 2024 年開展“逃逸與等離子體加速及動理學探索者”（The Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）雙衛星火星探測任務，簡稱“逃逸探索者”（EscaPADE）。

這將是 NASA 繼 1969 年之後的第二次火星“雙衛星”探測任務，也將是世界首個對火星空間環境開展長期環火探測的雙衛星任務。“逃逸探索者”的主要科學目標包括：進一步理解火星磁層的主要控制因素及這些驅動源對磁層離子流的影響；進一步理解太陽風向火星磁層的能量、動量傳輸過程；進一步理解火星大氣層逃逸/沉降粒子的能量、物質交換過程。

如果說的更直觀一點，“EscaPADE”計劃通過兩顆衛星在火星磁層內、外的同步探測，建立太陽風、太陽輻射的能量注入與火星離子逃逸速率之間的量化關係，嘗試性地探索太陽平靜期和太陽風暴期間火星大氣中的水、二氧化碳逃逸損失的具體數額和物理機制，最終，將當前的觀測結果用於反演過去 40 餘億年間“青少年”太陽對火星離子乃至全球水冰、大氣逃逸的演化過程。

“EscaPADE 任務”單個探測器重量小於 90 公斤，軌道近火點 200 公里、遠火點根據任務不同階段依次為 7000 公里和 5660~8685 公里，衛星軌道週期約 4~6 個小時。

圖 4：“EscaPADE”雙衛星探測計劃

Credit：Lilis et al。2020

為了克服之前單顆衛星無法多點同時探測的不足，“EscaPADE”兩顆衛星預計將開展兩種飛航模式：

同軌道一前一後的“雙星伴飛”；

兩軌道高差約 3000 公里的“高低搭配”。

“雙星伴飛”模式既能同時觀測空間尺度小於衛星間隔的磁層動力學過程，也可以在同一位置獲取兩顆衛星依次跨越的短時間尺度資訊，因此這一模式可有效區分觀測現象的空間分佈和時間演化。而另一種模式：“高低搭配”的飛航模式則能夠使兩顆探測器分別位於火星上游太陽風和磁層、電離層獲取同時段觀測資料，獲取近火空間環境對太陽風條件變化的實時響應。

Credit：Lilis et al。2020

每顆 EscaPADE 衛星計劃攜帶 3 種科學探測載荷：

磁強計（EscaPADE Magnetometer，EMAG）；

靜電分析儀（EscaPADE Electrostatic Analyzer，EESA）；

朗繆爾探針（EscaPADE Langmuir Probe，ELP）。

這些載荷將圍繞火星空間環境中的磁場、熱和超熱離子/電子能譜、等離子體密度、55~130 奈米太陽 EUV 輻射強度和飛船電勢開展測量。

自從 1962 年蘇聯嘗試發射第一顆火星探測衛星至今，人類開展的火星飛掠或就位探測任務已有近六十年的歷史，共計 49 次探測。這些探測計劃中，僅 1969 年“水手 6 & 7”號為“雙衛星”探測任務外，其餘均為單顆衛星或單衛星搭載著陸器的探測模式。而 50 多年前的“水手 6 & 7”雙衛星探測計劃，僅僅是兩顆衛星配合飛掠火星、未能對火星空間環境開展長時間的觀測。

“EscaPADE”雙衛星探火計劃預計環繞火星開展長達兩年的觀測，這一任務不僅是人類歷史上首個對火星空間環境開展長時間檢測的雙衛星任務，也將為火星大氣逃逸和火星演化歷史等一系列問題帶來新的突破。

圖 6：2018 年“BepiColombo”雙衛星水星探測任務

Credit：JAXA

此外，歐洲航天局與日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）合作開展的“貝皮科倫布”（BepiColombo）水星雙衛星探測計劃已於 2018 年成功發射、預計將於 2025 年抵達水星。“BepiColombo”也將是人類歷史首次開展的水星“雙衛星”探測任務。可以預見，在不遠的將來，針對內太陽系三顆類地行星根據具體科學問題如：火星大氣逃逸、金星“溫室效應”、水星磁層開展多衛星聯合探測的時代，指日可待。