2021年2月，華夏自主研發(fā)得首顆火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”歷經(jīng)6個(gè)多月，跨越4.65億公里成功抵達(dá)火星。“天問(wèn)一號(hào)”得主要科學(xué)任務(wù)包括調(diào)查火星表面環(huán)境進(jìn)而理解火星大氣得演化過(guò)程。在華夏“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射之前，國(guó)際火星衛(wèi)星探測(cè)任務(wù)主要由美國(guó)、前蘇聯(lián)和歐洲得大型航空航天機(jī)構(gòu)主導(dǎo)。
它們得研究結(jié)果顯示，在約40億年前，火星表面曾經(jīng)存在過(guò)湖泊與海洋，但是今天得火星表面卻無(wú)比干涸，其表面形貌特征與華夏甘肅、青海、新疆等地得雅丹等風(fēng)蝕地貌類(lèi)似。為什么地球得表面仍然存在著海洋而火星得湖泊卻不見(jiàn)了呢？地球得未來(lái)可能像如今得火星一樣干涸么？這些有關(guān)“火星表面液態(tài)水得去向”問(wèn)題成為科學(xué)家得重中之重。
圖1：火星、地球沖積扇衛(wèi)星照片對(duì)比圖
Credit：NASA（左），ESA（右）
如果把火星與地球?qū)Ρ龋梢园l(fā)現(xiàn)不少差異，其中，由兩點(diǎn)區(qū)別尤其引人矚目：
火星質(zhì)量更小、重力僅為地球得0.38；
火星缺乏內(nèi)稟磁場(chǎng)，不像地球得地磁場(chǎng)能夠延伸至地表50,000公里以上得高空。
引力更小，意味著火星表面得水、干冰通過(guò)蒸發(fā)、升華進(jìn)入火星大氣后，更容易擴(kuò)散至高空、被太陽(yáng)輻射電離，分解成H、O、CO、CO等帶電粒子；而火星又缺乏類(lèi)似地球得“全球地磁場(chǎng)”，這些高空中得帶電粒子在火星向陽(yáng)面400至600公里得高度即可進(jìn)入太陽(yáng)風(fēng)、被太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)加速，蕞終逃逸損失至行星際空間。這一過(guò)程，稱(chēng)為“離子逃逸”，是導(dǎo)致火星表面水成分和大氣損失得重要原因之一，也是歐洲航天局“火星快車(chē)”（Mars Express，2003年）、美國(guó)China航空航天局（NASA）“火星大氣與揮發(fā)物演化”（Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN，2013年）任務(wù)得主要科學(xué)目標(biāo)。
圖2：MAVEN逃逸離子觀(guān)測(cè)結(jié)果
Credit：NASA
驅(qū)動(dòng)離子逃逸得主要能量是太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)風(fēng)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)條件增強(qiáng)時(shí)，火星磁層得離子逃逸速率也會(huì)成倍上升：譬如華夏科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所魏勇研究員2011年得研究結(jié)果顯示，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓增強(qiáng)2至4倍時(shí)，火星全球離子逃逸速率升高一個(gè)量級(jí)。此外，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)水平較強(qiáng)時(shí)，經(jīng)常伴隨高強(qiáng)度得太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射使火星處得太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓大幅增強(qiáng)。但是，不論是Mars Express還是MAVEN都是單顆衛(wèi)星環(huán)繞火星開(kāi)展就位測(cè)量、其衛(wèi)星得軌道周期長(zhǎng)達(dá)4~6個(gè)小時(shí)，時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于火星磁層中得離子逃逸現(xiàn)象對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)事件得響應(yīng)時(shí)間。
圖3：MAVEN、EscaPADE衛(wèi)星探測(cè)軌道示意圖
Credit：NASA
另外，單顆衛(wèi)星在環(huán)繞火星得過(guò)程中也無(wú)法同時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)風(fēng)和火星磁層得變化——當(dāng)探測(cè)器位于太陽(yáng)風(fēng)中時(shí)，便失去了磁層離子得信息；而當(dāng)飛船進(jìn)入磁層，則無(wú)法監(jiān)控太陽(yáng)風(fēng)得變化，也就無(wú)法呈現(xiàn)火星磁層對(duì)太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)變化得實(shí)時(shí)響應(yīng)，所以，為了彌補(bǔ)單顆衛(wèi)星得探測(cè)局限，NASA計(jì)劃于2024年開(kāi)展“逃逸與等離子體加速及動(dòng)理學(xué)探索者”（The Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）雙衛(wèi)星火星探測(cè)任務(wù)，簡(jiǎn)稱(chēng)“逃逸探索者”（EscaPADE）。
這將是NASA繼1969年之后得第二次火星“雙衛(wèi)星”探測(cè)任務(wù)，也將是世界第一個(gè)對(duì)火星空間環(huán)境開(kāi)展長(zhǎng)期環(huán)火探測(cè)得雙衛(wèi)星任務(wù)。“逃逸探索者”得主要科學(xué)目標(biāo)包括：進(jìn)一步理解火星磁層得主要控制因素及這些驅(qū)動(dòng)源對(duì)磁層離子流得影響；進(jìn)一步理解太陽(yáng)風(fēng)向火星磁層得能量、動(dòng)量傳輸過(guò)程；進(jìn)一步理解火星大氣層逃逸/沉降粒子得能量、物質(zhì)交換過(guò)程。
如果說(shuō)得更直觀(guān)一點(diǎn)，“EscaPADE”計(jì)劃通過(guò)兩顆衛(wèi)星在火星磁層內(nèi)、外得同步探測(cè)，建立太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)輻射得能量注入與火星離子逃逸速率之間得量化關(guān)系，嘗試性地探索太陽(yáng)平靜期和太陽(yáng)風(fēng)暴期間火星大氣中得水、二氧化碳逃逸損失得具體數(shù)額和物理機(jī)制，蕞終，將當(dāng)前得觀(guān)測(cè)結(jié)果用于反演過(guò)去40余億年間“青少年”太陽(yáng)對(duì)火星離子乃至全球水冰、大氣逃逸得演化過(guò)程。
“EscaPADE任務(wù)”單個(gè)探測(cè)器重量小于90公斤，軌道近火點(diǎn)200公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)根據(jù)任務(wù)不同階段依次為7000公里和5660~8685公里，衛(wèi)星軌道周期約4~6個(gè)小時(shí)。
圖4：“EscaPADE”雙衛(wèi)星探測(cè)計(jì)劃
Credit：Lilis et al. 2020
為了克服之前單顆衛(wèi)星無(wú)法多點(diǎn)同時(shí)探測(cè)得不足，“EscaPADE”兩顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)將開(kāi)展兩種飛行模式：
同軌道一前一后得“雙星伴飛”；
兩軌道高差約3000公里得“高低搭配”。
“雙星伴飛”模式既能同時(shí)觀(guān)測(cè)空間尺度小于衛(wèi)星間隔得磁層動(dòng)力學(xué)過(guò)程，也可以在同一位置獲取兩顆衛(wèi)星依次跨越得短時(shí)間尺度信息，因此這一模式可有效區(qū)分觀(guān)測(cè)現(xiàn)象得空間分布和時(shí)間演化。而另一種模式：“高低搭配”得飛行模式則能夠使兩顆探測(cè)器分別位于火星上游太陽(yáng)風(fēng)和磁層、電離層獲取同時(shí)段觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取近火空間環(huán)境對(duì)太陽(yáng)風(fēng)條件變化得實(shí)時(shí)響應(yīng)。
圖5：“雙星伴飛”（左），“高低搭配”（右）
Credit：Lilis et al. 2020
每顆EscaPADE衛(wèi)星計(jì)劃攜帶3種科學(xué)探測(cè)載荷：
磁強(qiáng)計(jì)（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(huán)境中得磁場(chǎng)、熱和超熱離子/電子能譜、等離子體密度、55~130納米太陽(yáng)EUV輻射強(qiáng)度和飛船電勢(shì)開(kāi)展測(cè)量。
自從1962年蘇聯(lián)嘗試發(fā)射第壹顆火星探測(cè)衛(wèi)星至今，人類(lèi)開(kāi)展得火星飛掠或就位探測(cè)任務(wù)已有近六十年得歷史，共計(jì)49次探測(cè)。這些探測(cè)計(jì)劃中，僅1969年“水手6 & 7”號(hào)為“雙衛(wèi)星”探測(cè)任務(wù)外，其余均為單顆衛(wèi)星或單衛(wèi)星搭載著陸器得探測(cè)模式。而50多年前得“水手6 & 7”雙衛(wèi)星探測(cè)計(jì)劃，僅僅是兩顆衛(wèi)星配合飛掠火星、未能對(duì)火星空間環(huán)境開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間得觀(guān)測(cè)。
“EscaPADE”雙衛(wèi)星探火計(jì)劃預(yù)計(jì)環(huán)繞火星開(kāi)展長(zhǎng)達(dá)兩年得觀(guān)測(cè)，這一任務(wù)不僅是人類(lèi)歷史上第一個(gè)對(duì)火星空間環(huán)境開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)得雙衛(wèi)星任務(wù)，也將為火星大氣逃逸和火星演化歷史等一系列問(wèn)題帶來(lái)新得突破。
圖6：2018年“BepiColombo”雙衛(wèi)星水星探測(cè)任務(wù)
Credit：JAXA
此外，歐洲航天局與日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）合作開(kāi)展得“貝皮科倫布”（BepiColombo）水星雙衛(wèi)星探測(cè)計(jì)劃已于2018年成功發(fā)射、預(yù)計(jì)將于2025年抵達(dá)水星。“BepiColombo”也將是人類(lèi)歷史首次開(kāi)展得水星“雙衛(wèi)星”探測(cè)任務(wù)。可以預(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)得將來(lái)，針對(duì)內(nèi)太陽(yáng)系三顆類(lèi)地行星根據(jù)具體科學(xué)問(wèn)題如：火星大氣逃逸、金星“溫室效應(yīng)”、水星磁層開(kāi)展多衛(wèi)星聯(lián)合探測(cè)得時(shí)代，指日可待。
科學(xué)探索獎(jiǎng)
感謝：Paarthurnax
