本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛 。
工程师在净室中与希望（Hope）火星探测器站在一起
图片来源：?MBRSC）
关于行星 ， 有个难缠的问题：它们实在太大了 。 每当我们将航天器送到一颗行星上 ， 测得的结果将仅适用于此地 ， 无可避免 。
当科学家琢磨起行星的大气层与天气时 ， 这一问题尤其难以解决 。 按定义来说 ， 这些应当是全球现象 ， 而它们以复杂的方式与其他全球现象互相作用 。
科学家们拥有丰富的航天器观测火星的历史经验 ， 而这一难题却使得他们仍对行星大气的真正运作方式感到困惑-从上到下 ， 从极到极 ， 从黎明到黄昏再到黎明 ， 它们如何变化？
若一切顺利 ， 一个来自行星科学新手国家的计划将很快开始收集数据 ， 帮助科学家全面了解火星大气 。 阿拉伯联合酋长国（UAE）计划于周二（7月14日）发射其首架行星际飞船 ， 称为“阿联酋火星任务” ， 或“希望号” ， 发射时间定于美国东部时间（2051 GMT）下午4:51 。
然后 ， 耗资2亿美元的探测器将绕火星巡游七个月 ， 于2021年初进入这颗赤色星球的轨道 。 按计划 ， 希望号将观测火星至少一整个火星年（稍短于两个地球年）探究火星大气 。
如果航天飞机成功到达太空舱（团队深知这是个艰难的命题） ， 阿联酋发送的探测器将成为火星轨道上的第五或第六个实体 。 这一先后取决于阿联酋飞行任务的时间表与中国天问一号火星探测器的时间表 ， 后者也于今年夏天发射升空 。
以人类探索火星的历史遗产为基础
在此之前曾有十二个探测器在火星轨道工作过 ， 希望号的设计正基于火星航天器半个世纪的历史 。 然而 ， 计划人员不希望整个计划落入其它探测器已完成过的范畴之内 。
“我们总是从先前的任务中学到许多 ， ”负责希望号计划的玛丽亚姆·阿尔·沙姆西（Mariam Al Shamsi）是阿联酋穆罕默德·本·拉希德航天中心（Mohammed bin Rashid Space Center）空间科学系主任 ， 她告诉太空网（space.com） ， “没有完美的任务 ， 因此每个新任务都学习先前的任务得来的经验 。 ”科学家们认为 ， 就希望号而言 ， 该任务尤其从美国宇航局NASA的火星大气与挥发演变（MAVEN）轨道飞行器中学到很多 。
穆罕默德·本·拉希德航天中心的数据分析负责人赫莎·阿尔·马特洛西（Hessa Al Matroushi）告知太空网：“这一计划的科学原理与其它探察火星的计划非常相似 。 但同时 ， 它也带来了补充 ， 为一直以来空缺的部分提供了解释 。 ”
为了达到这一平衡 ， 由工程师转变为科学家的负责人们需要知晓迄今为止火星探索的范围 ， 并咨询火星科学界 。 那之后 ， 希望号计划领导人得出结论：着重于大气层将是这场计划的最佳探索方向 。
然后 ， 是时候开始设计航天器
希望号计划的项目科学家 ， MAVEN首席研究员布鲁斯·雅各斯基（Bruce Jakosky）对太空网说：“不论航天器本身有多重要 ， 我们都不希望派出两个去测量同一个因素 。 我们将测量那些之前没有意识到需要测量的数据 。 如此说来 ， 希望号是基于之前的一切研究的 。 ”
以希望为例 ， 计划负责人们发现使用和MAVEN和其他航天器相同的仪器 ， 但将航天器置于一个完全独立于先前的轨道上 ， 便能够解决火星大气的一些关键问题 。
希望号的大气研究/希望的气息（An Atmosphere of Hope）
希望号搭载三种仪器：紫外与红外光谱仪 ， 以及对可视光和紫外线敏感的成像仪 。 这些仪器被包装在一个重达3000磅的航天器上（1350公斤） ， 约需要七个月到达火星 ， 并集中调查那赤色星球稀薄的、二氧化碳为主的大气层 。
尽管科学家从许多过往的航天器中获取过大气数据 ， 希望还是带来了一些新事物：它绕火星的赤道运行 。 沙姆西说：“我们的研究的独特性来自运行轨道 。 ”这一轨道使航天器能够观察火星低层大气的状况如何随时间变化 。
该任务的科学负责人 ， 阿联酋先进科学事务大臣萨拉·阿尔·阿米里（Sarah Al Amiri）在7月9日举行的新闻发布会上说：“这项计划使我们全天候了解火星大气层 。 它涵盖了对火星的所有本地时间、所有区域的探测 。 这将是一种全面的了解 ， 填补了大气在整个火星年间如何随时间、季节变化的空缺 。 ”
然而 ， 不仅是能彰显天气的低层大气 ， 希望号还将研究不断演变的整个大气层 。 尤其是了解热层中发生了什么 。 该层位于上层与下层大气之间 ， 距地面60至120英里（100至200公里） 。 在热层中 ， 气体同时受火星表面与高层大气的影响 。
希望号仪器科学部经理法特玛·洛塔（Fatma Lootah）告诉太空网：“热层是高层与低层之间的过渡层 。 调查那里发生的事非常有趣 。 ”科学家们尤其期待希望号的数据能帮他们在高层和低层大气中建立联系 ， 而不是孤立地研究各个层 。
希望探测器在火星周围运行的艺术描绘 。（图片来源：MBRSC）
希望号也可能带来更多潜在的科学发现 。 如果它克服了重重困难 ， 成功进入火星 ， 将有助于许多其它研究 。
其中一些研究已纳入计划的实验目标 。 例如 ， 希望号的轨道还将调整航天器的位置 ， 定期拍摄从行星上散发出来的模糊的氢气泡 。MAVEN在到达时曾发现了这种结构 ， 但无法有规律地定期成像 。
洛塔（Lootah）说：“这些照片看起来很酷 。 它们就像是火星的光环 ， 看起来非常漂亮 。 我很期待看到这些图片 。 ”
这些图像还可以帮助科学家了解火星如何失去它的大气层 。 从前 ， 这颗星球的红色还没如此浓郁时 ， 它拥有如地球般浓厚潮湿的大气 ， 但这层大气如今已不见踪影 。 不止如此 ， 大气层还在逐渐从行星的引力的拖曳中逃逸 ， 漂流到太空形成了光晕 。
当然 ， 科学研究存在其必然：即使是最好的科学家 ， 也无法预测行星的复杂性 。 雅各斯基（Jakosky）说：“我们执行过的每一项任务 ， 发射的每架新仪器 ， 都发现了过去我们甚至不曾思考过的问题 。 我们构思一个计划进行测量 ， 以回答某个特定问题 ， 然后设计仪器 ， 以便实行测量 。 大多数科研计划 ， 当然包括从古至今的火星探索计划 ， 如果我们仅仅是回答了那个最初的命题 ， 大家会不免感到失望 。 ”
这些潜在发现之一或许是沙尘暴 。 洛塔说：“我认为最令人兴奋的就是从意料之外的数据中得到一些有趣的结果 。 我们称之为偶发事件 。 希望号将覆盖火星的很大一部分 ， 意味着我们将看到更多的偶发事件 。 这也是值得期待的结果 。 ”
马特洛西（Matroushi）强调 ， 即使是预期中的数据 ， 也将最终带来超出希望计划本身的发现 。 阿联酋因此决定将所有希望的数据公开 。
她认为：“这项计划是为实现我们的目标而开发的 ， 但这些数据可以用于解答许多悬而未决的科研问题 。 我很乐意看到任何科研人员从希望号提供的数据中得到灵感 。 ”
不仅如此 ， 希望号的科学家们还期待着多年以来使用其他探测器的数据和各式模拟数据之后 ， 首次使用自己建造的航天器的数据 。“这将是一种前所未有的感觉 。 ”
这就是为什么7月14日的发射并非该团队的主要目标 。 阿尔·马特洛西（Al Matroushi）表示：“所有人都将为这次发射感到兴奋 。 但与2021年2月抵达火星相比 ， 发射不过是第一步 。 当我们从探测器上看到第一张照片时 ， 将是最激动人心的时刻 ， 因为这是我们工作的起点 。 ”
作者: Meghan Bartels
FY: 铁锈
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