“天问一号”目前正在火星轨道上开展观测 ， 这是我国的第一枚火星探测器 ， 可谓意义非凡 。 经由这次任务 ， 我国正式加入了火星探测者的行列 。 近六十年来 ， 已经有超过30组探测任务成功造访了火星——他们是如何推动我们对火星的认知的？
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世界各国火星探测成就 。 （自制 ， 转载请注明出处 。 )
Part 01
探索年代
1957年 ， 前苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星：Sputnik-1号 。 自那以后 ， 人类立刻开始规划造访地外行星 。 很快 ， 1960年前苏联就抢先开始了探索火星的征程 ， 于1960年、1962年展开了共五次火星探测器的试射 ， 可惜未能获得成功 。
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1960年 ， 前苏联试射的1M No.1火星探测器的模型
紧接着 ， 美国人后发先至 ， 1964年发射的水手4号探测器（Mariner-4） ， 于1965年7月15日（最近点）成为人类第一枚飞掠火星的探测器 ， 最近距离9846千米 。 它拍摄了人类的第一张火星“近照” ， 传回了约634kB的数据 ， 且发现在火星上有着类似月球表面的撞击坑 。 这在一定程度上可以说明火星地质活动沉寂已久 ， 这出乎了科学家们的预料 。 它还遥测到 ， 火星表面气压大约是410到700帕斯卡 ， 昼间温度大约-100℃ 。
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水手3号和水手4号的模型（左上 ， 二者设计相同） ， 水手4号拍摄的最清晰的火星照片 ， 可见撞击坑（右上） ， 手工上色的人类第一张火星近照（下）
1969年2月25日和3月27日 ， 美国发射了水手6号、7号 ， 并分别于7月31日 ， 8月5日飞掠了火星（指最近点） 。 两枚探测器对火星表面的拍照大约覆盖了约20%的面积 ， 一共传回了201张照片 。 二者还对火星大气层进行了测量 ， 发现其大气主要成分是二氧化碳 ， 但火星表面也有痕量的水 。
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水手7号飞近火星时拍摄的两张火星半球照片（上）及水手6、7号的模型（下）
Part 02
【前苏联|火星探测的里程碑】火星大航海
前苏联和美国的太空竞赛在1970年前后达到高潮 。 1971年5月19日和28日 ， 前苏联发射了火星2号、3号（Mars 2 ， Mars 3） ， 5月9日和30日 ， 美国发射了水手8号、9号 。 美苏两家的目标都是在火星部署轨道器 。
水手8号发射失败 ， 但是水手9号十分争气 ， 竟然再次后发先至 ， 抢在前苏联的两枚探测器之前切入火星轨道 ， 于1971年11月14日 ， 成为了人类第一枚火星轨道环绕器 。 水手9号在火星轨道上工作了519天后关机 ， 在其前349天的工作中 ， 它共传回了7329张照片 ， 观测了大量过去的任务未能仔细观察的区域 。 它发现了大量的火星表面细节特征 ， 包括河床、撞击坑、还包括太阳系中地球之外的第一座 ， 也是最大的火山：奥林匹斯火山 。 其观测数据直接指导了美国接下来的“海盗（Viking）”系列任务 。
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上：水手9号模型；左下：水手9号发现的火星表面迷宫一般的地貌；右下：水手9号拍摄的奥林匹斯火山 。
前苏联的火星2号、3号虽然没有抢到第一的位置 ， 但本身也是非常优秀的探测器 。 11月27日和12月2日 ， 两枚探测器相继进入火星环绕轨道 。 在进入轨道的同时 ， 二者分别释放了一个着陆器 ， 每个着陆器里还藏着一个小小的巡视车 。 火星2号着陆器没能成功着陆 ， 成为了首个坠毁在火星表面的人造物；火星3号着陆器成功软着陆 ， 但似乎被火星当时的强烈沙尘暴损坏了 。 它着陆后104.5秒就失去了信号 ， 只传输回一张残缺的图片 ， 成为了人类首个在火星软着陆的探测器 。 火星2号和3号也开展了广泛的火星表面测绘工作 ， 测量出奥林匹斯山那惊人的22千米的高度 ， 发现火星表面温度在-110℃至13℃之间 ， 沙尘暴高度可达7千米 。 此外 ， 他们还携带了磁场、重力等相关测量装置 ， 测定出火星电离层高度大约80-110km 。 火星3号着陆器还拍摄了人类第一张火星表面的照片——虽然只有70行 。 据前苏联Lavochkin设计局当时的总设计师V.G. Perminov透露 ， 这张图片是一张“灰色底色但没有细节”的图片 。
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Mars 2 ， Mars 3的设计图（上）和巡视器模型（左下） ， 着陆器模型（右下）
在航天工程领域 ， 运气的成份似乎一直占比很大 。 从上面的任务开始 ， 美苏的“火星运”就开始走向两个极端 。 前苏联连战连败 ， 后续的多个着陆器都失败了 ， 一直遗传到现在的俄罗斯 ， 后面甚至传染给了欧盟；美国却连战连捷 ， 鲜有败绩 ， 渐渐成为了火星探测的老大哥 。
1975年8月20日和9月9日 ， 美国NASA发射了海盗1号、2号（Viking 1 ， Viking2） ， 并分别于次年7月20日、9月3日成功着陆 。 海盗1号成为了人类第一枚成功从火星表面传回完整数据的着陆器 。 海盗1号和2号主要研究了火星表面土壤的性质 ， 并尝试寻找生命的痕迹——当然是没有找到了 。 从这次任务中科学家发现 ， 火星地表土壤主要是玄武岩风化之后的产物 ， 且含有丰富的硅、铁 ， 和硫、氯等 。 钾含量大约是地球地表的五分之一左右 。 总的来说 ， 可能并不适合类似地球生命的碳基生命生存 。
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上：海盗1号拍摄的人类第一张火星表面照片 。 中左：海盗号着陆器和轨道器总体 。 中右：海盗号着陆器的模型 。 下：海盗2号着陆器于火星正午拍摄的高分辨率全景拼图（其中色彩来自于低分辨率相机）
Part 03
拓宽视野
海盗号之后 ， 随着太空争霸重心的转移 ， 火星探测渐渐沉寂下来 。 到1990年前后再次掀起火星热的时候 ， 政治目的开始减弱 ， 科学目的成为了火星任务的第一考量 。
前苏联在多次试图着陆火星失败之后 ， 可能决定换种思路——改为探测火星的卫星 ， 火卫一“Phobos” 。 1988年7月7日 ， 前苏联发射了“Phobos-2”探测器 ， 希望对火卫一进行轨道观测 ， 并向火卫一部署一个观测站和一个“弹跳器” 。 总的来说 ， 对火卫一的轨道观测成功了 ， Phobos-2拍摄了37张火卫一的照片 ， 覆盖了其80%的表面积；携带的红外光谱仪没有发现水的痕迹 。 然而就在即将释放观测站和弹跳器时 ， 1989年3月27日 ， Phobos-2失去了信号 。 科学家推测应当是其机载的三台计算机中的最后一台能正常工作的 ， 出现了严重故障 。
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Phobos-2号的艺术概念图（上） ， 和其“VSK”相机拍摄的火卫一 。
美国则凭借着多次成功的经验 ， 开始细化对火星的勘测 。 1996年11月7日 ， 美国发射火星全球勘探者号（Mars GlobalSurveyer ， MGS） ， 在火星轨道上工作了7年 ， 对火星整体进行了测绘 ， 包括地表、大气层和电离层等 。
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MGS的艺术效果图
1996年12月4日 ， 美国发射了火星探路者号着陆器（MarsPathfinder） ， 携带了旅居者号火星车（Sojourner） 。 这次任务主要是为了试水通过气囊的方法进行软着陆 ， 为将来的任务铺平道路 ， 是名副其实的“探路者” 。 旅居者号成为了人类第一辆在另一颗行星上行驶的无人巡视车 。
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上：火星探路者拍摄的火星地表全景；下左：火星探路者和旅居者号正在装配；下右：旅居者号在火星上度过第22个火星日 。
2001年 ， 美国NASA发射了火星奥德赛号（MarsOdyssey）探测器 ， 主要任务是寻找火星的水 。 不负众望 ， 它对火星浅表底层含水量进行了普查 ， 发现了大量水的踪迹 。 此外 ， 它在火星赤道地区也发现了浅表的水层——很有可能这些水能够适时融化为液态 ， 供微生物生存 。
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火星奥德赛号
2003年 ， 火星大冲 ， 这是近百年来最适合发射火星探测器的窗口 。 欧空局ESA发射了“火星快车（MarsExpress）”轨道器 ， 美国NASA发射了“勇气号（Spirit）”和“机遇号（Opportunity）”火星车 。 他们几乎全都聚焦于“找水” 。 火星快车在极地冰盖中发现了水冰 ， 还在大气中发现了甲烷的迹象和痕量的氨——这暗示可能曾有生命存在于火星上 ， 或至少有演化生命的条件 。 勇气号和机遇号分别发现了一些地表上流水侵蚀风化的线索 ， 并进行了火星上的天文观测 。
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从火星看地球 。 由勇气号拍摄 。
2005年 ， 美国NASA发射了火星轨道勘测飞行器（Mars ReconnaissanceOrbiter ， MRO） ， 它主要针对火星的地理环境和气象环境进行研究 。 在火星轨道上 ， 它发现了火星表面藏在各种地方的冰 ， 以及各类水成的矿物 。 此外 ， 根据其数据 ， 科学家推测 ， 火星表面广泛分布着氯化物 ， 这应该是由含水的矿物蒸发形成的——换言之 ， 火星表面曾经广泛分布有水 。 2011年8月4日 ， NASA宣布MRO侦察到在火星的温暖的月份里 ， 其表面似乎存在流动的液态水 。
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MRO观测到的4次火星表面的雪崩现象
2007年 ， NASA发射了凤凰号（Phoenix）火星着陆器 ， 2008年5月25日着陆在了火星的极地地区 。 凤凰号证明了火星极地地区浅地表下水的存在 。
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凤凰号拍摄的浅地表冰的融化和蒸发 。 左侧为第20太阳日刚刚挖开的浅地表 ， 右侧为4个太阳日后的同一位置 。 明显可见白色减少了 ， 融化了 。
2011年 ， NASA发射了好奇号（Curiosity）火星车 。 这是一台功能强大的地面综合科学实验室 ， 可以完成全套的采样分析工作 。 目前 ， 它正在一边走 ， 一边做实验 ， 寻找各种关于水和生命的迹象 ， 拍各种高清晰度的照片 。 截止2020年12月9日 ， 好奇号距离着陆点已经有23.32千米 。
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好奇号拍摄的“尖山” 。 摄影技术确实过硬 。
2013年 ， NASA发射了“火星大气层和挥发分演化任务（Mars Atmosphere and Volatile EvolutionMission ， MAVEN）”探测器 。 这个探测器试图解答：火星是如何失去它表面丰富的水资源和浓密的大气层 ， 变成现在这样荒凉的样子的？2015年的数据证明 ， 随着其内部核心的冷却 ， 火星不再能产生类似地球的内禀磁场 ， 从而导致太阳风长驱直入 ， 剥离了火星大气 。 水分中的氢离子大量逃逸 ， 从而变得干旱 。
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在MAVEN的紫外成像下 ， 火星气体成分的挥发 。 左：原子碳 ， 中：原子氧 ， 右：原子氢
Part 04
新鲜血液
科学家越是学习和探索这个世界 ， 就越感到自己的无知 。 越是探索火星 ， 我们就发现还有越多的疑点等待我们去解答 。 目前 ， 2018年着陆火星的洞察号（InSight）、2018年进入火星轨道的火星微量气体任务卫星（ExoMarsTrace GasOrbiter）才刚刚开始收集数据 ， 解释数据；2021年的三个新鲜血液：中国的天问一号、美国的毅力号（Perseverance）火星车、阿联酋的HOPE号轨道器才刚刚进入工作岗位 ， 没来得及开展科研工作 。
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上左：ExoMars的模型；上右：HOPE任务的Logo；中左：InSight探测器的艺术效果图；中右：毅力号火星车降落瞬间的照片；下：我国的天问一号火星探测器自拍 。
我们人类了解地球 ， 花了至少上万年的时间 ， 才勉强理解了其表面的一点点 。 虽然技术在飞速进步 ， 火星似乎也比地球更加“单纯” ， 60多年的时间显然也不足以让人类摸透火星的前世今生与未来 。 我们的火星探索之旅才刚刚开始 。
美编：朱文潇
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