歐陽(yáng)火星探測(cè)的主要科學(xué)問(wèn)題課件

1、火星探測(cè)的主要科學(xué)問(wèn)題目 錄一、火星探測(cè)的歷程與未來(lái)計(jì)劃二、火星探測(cè)的主要成就三、我國(guó)火星探測(cè)“探”階段的規(guī)劃建議四、2009年-中俄合作火衛(wèi)-1探測(cè)View Mars by Hubble Space TelescopeFlight into Mariner Valley一、火星探測(cè)的歷程與未來(lái)計(jì)劃自上世紀(jì)60年代首次實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)開(kāi)始，迄今為止，一共進(jìn)行了38次火星探測(cè)，成功17次?；鹦堑奶綔y(cè)取得了大量有價(jià)值的成果。 火星探測(cè)可以劃分第一次高潮、寧?kù)o期、第二次高潮三個(gè)階段：第一次高潮（19601975年）：前蘇聯(lián) “火星探測(cè)器”系列、 “火星號(hào)”系列 和“宇宙號(hào)”系列；美 國(guó)19641971年

2、“水手號(hào)”系列和1975年“海盜-1、2”探測(cè)器?；鹦翘綔y(cè)寧?kù)o期（19761992年）：約17年時(shí)間內(nèi)只有前蘇聯(lián)1988年進(jìn)行了火衛(wèi)1的探測(cè)。第二次高潮（1992年現(xiàn)在）：1992年美國(guó)發(fā)射了“火星觀察者”探測(cè)器，相繼于1996年發(fā)射了“火星全球勘測(cè)者”探測(cè)器和 “火星探路者” 探測(cè)器，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)、歐空局等都實(shí)施了火星探測(cè)，并制定了詳細(xì)的探測(cè)規(guī)劃，目前已經(jīng)完成發(fā)射的有美國(guó)的火星奧德賽軌道器勇氣號(hào)/機(jī)遇號(hào)探測(cè)器，火星偵察軌道器以及歐空局的火星快車等探測(cè)器，掀起了火星探測(cè)的又一次高潮。 美國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃美國(guó)NASA近期和中期火星探測(cè)任務(wù) 已實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的飛越、環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)

3、，獲取了大量探測(cè)成果。2009-2020年火星探測(cè)計(jì)劃 時(shí)間 任務(wù)主題200920112013201620182020備注尋找逝去生命的跡象低緯度的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）Ground Breaking 火星樣品采集(GBMSR)偵察任務(wù)（Scout）天體生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和深鉆偵察任務(wù)（Scout）所有的任務(wù)集中在中緯度地區(qū)探索熱液生命環(huán)境熱液沉積區(qū)的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）天體生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室偵察任務(wù)（Scout）深鉆偵察任務(wù)（Scout）任務(wù)集中在活性或滅絕的熱液沉積區(qū)域?qū)ふ椰F(xiàn)在生命北極地區(qū)的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）偵察任務(wù)返回器樣

4、品返回（MSR with Rover）偵察任務(wù)（Scout）深鉆探索現(xiàn)代生命存在環(huán)境，風(fēng)險(xiǎn)最大研究火星演化低緯度的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）Ground Breaking 火星樣品返回(GBMSR)上層圈氣流研究觀測(cè)網(wǎng)偵察任務(wù)（Scout）建立在火星不曾有水的基礎(chǔ)上歐空局的火星探測(cè)計(jì)劃ESA Aurora火星探測(cè)路線圖 實(shí)施Aurora火星探測(cè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)于2033年實(shí)現(xiàn)載人登陸火星。 俄羅斯、日本及印度等國(guó)家也紛紛出臺(tái)了火星探測(cè)計(jì)劃 21世紀(jì)前半葉，深空探測(cè)的主體走向：以月球與火星探測(cè) 為軸心的太陽(yáng)系探測(cè)；主要的科學(xué)問(wèn)題是： （1）太陽(yáng)系的起源和演化； （2）地外生命的探索

5、與生命起源； （3）地外資源、能源和特殊環(huán)境的利用； （4）空間天氣與空間環(huán)境； （5）探討火星的長(zhǎng)期改造與今后大量移民的前景。 為人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展服務(wù)?；鹦翘綔y(cè)的主題類似地球的行星（1）與地球進(jìn)行比較行星學(xué)研究和太陽(yáng)系起源與演化研究；（2）探測(cè)水體和生命的信息；探索生命起源。二、火星探測(cè)的主要成就 通過(guò)40多年的火星探測(cè)，對(duì)火星基本物理參數(shù)、火星空間與表面環(huán)境、大氣層、電離層、磁層、地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造、火星表面物質(zhì)（巖石、礦物與化學(xué)元素）、火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面取得了巨大的成就。 主要?dú)怏w微量氣體10-6CO2N240ArO2COH2O0.130.070.0339ArNeK

6、rXeO352.530.080.040.2火星大氣成分 火星大氣層火星大氣層大氣壓：610毫巴（相當(dāng)于地面35Km高度 ）大氣運(yùn)動(dòng)：火星表面溫度及氣壓快速波動(dòng)，臺(tái)風(fēng)與塵暴經(jīng)常發(fā)生。平均溫度 -33o，日溫差大于100o，夏季達(dá)到17o-22o，冬季-123o- -133o。火星大氣層的密度和溫度隨高度的變化火星大氣層的溫度與水蒸氣分布火星的臺(tái)風(fēng)：北緯65度和85度之間，直徑1600公里，成份主要是水冰云（塵埃很少）火星全球性塵暴火星的地形探測(cè)火星的地形面貌分布明顯不對(duì)稱，南半球絕大部分是撞擊地形，北半球高緯度地區(qū)多為撞擊坑稀少的平原，與月海相似?；鹦墙o人印象最深刻的面貌是巨大的盾狀火山，Oly

7、mpus山直徑達(dá)550公里，比周圍平原高25公里，是迄今發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系最大的火山機(jī)構(gòu)。 火星的地形特征火星地形分類略圖 火星表面的成分 巖石碎塊、沙塵及富鐵黏土覆蓋，屬安山巖、玄武巖的風(fēng)化產(chǎn)物。5S, 297E, 2004-03-26, by G. Neukum Mssbauer spectra show jarositeOpportunity/MRO, 2004-03-02small-scale cross beddingConcentrations of Mg, Al, Cl and Br versus S in rocks and soils indicates water alterat

8、ion L. A. Haskin et al., 2005, Nature Letters, Vol. 43610W2E5N6STES hematite abundance, is overlain on a daytime THEMISChristensen et al., 2001, JGRMars Hematite火星的地形與小型撞擊坑月球撞擊作用的時(shí)間分布重力場(chǎng)與撞擊坑的直徑撞擊坑密度與火星地貌年齡 風(fēng)的吹揚(yáng)作用水手峽谷地區(qū)出現(xiàn)的沙丘 水手峽谷 地區(qū)整個(gè)谷壁坍塌形成巨大的滑坡，在谷壁上留下凹壁，在谷底形成扇形舌狀體。 The change of CO2 and H2O ice in N

9、orth PolarMARS ICEMartian north polar layered depositsFishbaugh, 2006, JGRColour view of crater with water ice(70.5 N,103 E, 35 Km wide, 2 km depth, 15 m/pixel)2 Feb. 2005, from G. Neukum 火星的極冠與干枯河網(wǎng)Nanedi Vallis：具有流水成因特點(diǎn)Parana Valles：具有明顯的河流排水系統(tǒng)。Olympica Fossae, 25.98N, 113.18W , http:/moc_gallery/

10、2001-02-152000-03-19Gullies in Newton Basin (MOC2-320 )39.0S, 166.1WNASA/JPL, 2002-10-07 Gullies Formation mechanismMGS_88923, 65S,15 W, NASA/JPL, 1997-12-29 Groundwater sapping Nirgal vallisJaumann, Reiss, 2002Recent (few Myr) outflow from Cerberus fossaeBurr et al., GRL, 2002Colour nadir view of N

11、icholson Crater (100Km wide, 0.0 S, 195.5E, 15.3 m/pixel) Hock, 20042.23, 356.75, MOC Release No. MOC2-316, 2002-06-27 Partially-Exhumed Crater in Northern Terra MeridianiWest Arabia Terra, 8N, 7W MOC Release No. MOC2-261, 2000-10-4 Terra Meridiani mesas, 16.87, 331.23MOC Release No. M20-01357, 2000

12、-10-23Eberswalde Delta, MGS MOC Release No. MOC2-1225, 2005-09-20In northeast of Holden Crater near 24.0S, 33.7W Water Alteration at Gusev Crater Rocks in the Gusev Crater show evidence for interaction with waterhighly elevated levels of S, Cl, K, P, Br basaltic chemistry, but highly oxidized and la

13、cking in primary basaltic minerals, IR spectrum fit well by basaltic glassgoethite ( FeO(OH), Hydrated Iron Oxide )fine to coarse layered sedimentsSpirit landing siteMGS探測(cè)器遙感觀測(cè)解析得到的：火星的地形圖火星重力分布圖火星地殼厚度圖MGS TES Basalt MapBasalt (Type 1 spectra) concentrated in Southern HighlandsBandfield et al. (2000

14、), Hamilton et al. (2001)MGS TES Andesite MapAndesite (type 2 spectra) appears concentrated in Northern Lowlands, but also intermixed with basalt in Southern Highlands.Bandfield et al. (2000), Hamilton et al. (2001)火星表面巖石類型分布圖Distribution of the HCPs and LCPs on Mars (Bibring et al. Science, vol. 30

15、7, 2005)OMEGA confirms the TES mapping of HCPs, obtained at moderate (3 km) resolution, identifies LCPs at higher resolution (1 km)1997年美國(guó)的火星探路者號(hào)的著陸器用粒子激發(fā)X射線譜儀對(duì)火星表面物質(zhì)進(jìn)行了就位分析，發(fā)現(xiàn)土壤分析結(jié)果與海盜號(hào)相同，巖石成份近似地球安山巖，接近地球地殼的平均成份。 火星表面土壤的化學(xué)成分特征火星巖石成分與地球巖石成分的比較火星巖石成分與地球巖石成分的比較月球巖石火星巖石地球巖石月球、火星與地球巖漿結(jié)晶過(guò)程的比較月球巖石火星巖石地球巖石

16、月球巖石火星巖石地球巖石月球、火星與地球巖漿結(jié)晶過(guò)程的比較月球：超基性巖+基性巖，橄欖巖，輝長(zhǎng)巖，斜長(zhǎng)巖，玄武巖；火星：超基性巖+基性巖+中性巖 橄欖巖，輝長(zhǎng)巖，閃長(zhǎng)巖，斜長(zhǎng)巖，玄武巖，安山巖；地球：超基性-基性-中性-酸性-堿性巖超基性巖，斜長(zhǎng)巖，基性巖，閃長(zhǎng)巖，花崗巖，正長(zhǎng)巖；玄武巖，安山巖，流紋巖；行星演化的成熟度：基性與超基性+中性+酸性，與巖漿演化規(guī)律相似（極不充分，不充分，充分）。鮑文巖漿反應(yīng)系列-超基性-基性-中性-酸性-堿性月球、火星與地球的磁場(chǎng) 根據(jù)月球軌道飛行器測(cè)量的結(jié)果，月球沒(méi)有全球性的偶極磁場(chǎng)。在Apollo探測(cè)中，只檢測(cè)到了一個(gè)非常弱的磁場(chǎng)大約只有(3300)10-9

17、 T。 對(duì)返回地球的月球巖石樣品剩磁的研究，發(fā)現(xiàn)在32億年前的月球巖石具有較明顯的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度。表明古代月球具有偶極磁場(chǎng)?；鹦乾F(xiàn)在沒(méi)有全球性偶極磁場(chǎng)，紅色代表磁力線方向是從火星內(nèi)部向外，藍(lán)色代表磁力線方向指向火星內(nèi)部?；鹦堑膬?nèi)部結(jié)構(gòu)火星與地球一樣具有圈層結(jié)構(gòu)，也可以分為殼、幔和核地球和火星的核分別占整體質(zhì)量的32、19火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式火星中心核由純鐵、14%硫、25%硫、37%硫四種組成情況下密度與深度的關(guān)系 火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和熱歷史簡(jiǎn)圖水星、金星、火星與月球的能量隨時(shí)間的變化月球、火星與地球演化特征比較半徑（km）大氣壓磁場(chǎng)內(nèi)部巖漿演化活動(dòng)性天體生命月球174010-14無(wú)超基性+基性無(wú)基本

18、終結(jié)火星33700.003-0.005多極子磁場(chǎng)超基性+基性-中性極弱衰老地球63701偶極子磁場(chǎng)超基性+基性+中性+酸性+堿性中等（火山、地震）壯年期月球-火星-地球內(nèi)部演化定性比較月球火星地球表面熱流極小小中等內(nèi)部結(jié)構(gòu)極簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單復(fù)雜內(nèi)部均一化極不均一不均一比較均一內(nèi)部能源極小小中等演化歷史31 .5億年前結(jié)束今后15億年今后45億年火星生命之謎火星生命遺跡的爭(zhēng)論磁鐵礦和黃鐵礦顆粒的形態(tài)及排列 McKay, 1996 #82 碳酸鹽瘤體的微結(jié)構(gòu)多環(huán)芳烴(PAHs)的特征組成McKay, 1996 #82 生物膜(biofilm)的微結(jié)構(gòu)等。 南極冰水的污染多環(huán)芳烴等有機(jī)物的非生物成因機(jī)制類似

19、細(xì)菌形態(tài)微結(jié)構(gòu)的非生物成因機(jī)制。 碳酸鹽的高溫成因結(jié) 論 根據(jù)已有的探測(cè)成果，火星曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的偶極磁場(chǎng)，現(xiàn)演化為多極子磁場(chǎng)；有過(guò)濃密得多的大氣圈，現(xiàn)演化為極稀薄的大氣圈；有過(guò)液態(tài)水和水的地質(zhì)作用，表面水圈的消失不明，尚未探測(cè)到沉積巖的發(fā)育；表面有過(guò)很適宜的溫度，有可能發(fā)育過(guò)生命。 早期內(nèi)部有足夠的熱能，地質(zhì)-火山作用活躍，但缺乏酸性巖；火星的演化歷史比月球復(fù)雜，但比地球簡(jiǎn)單。三、我國(guó)火星探測(cè)“探”階段的建議：我國(guó)深空探測(cè)的戰(zhàn)略方向與發(fā)展規(guī)劃必須與嫦娥一、二、三期工程有機(jī)結(jié)合，相互促進(jìn)，協(xié)調(diào)發(fā)展，形成我國(guó)統(tǒng)一的深空探測(cè)國(guó)家戰(zhàn)略與發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)有能力力爭(zhēng)在實(shí)現(xiàn)繞月探測(cè)之后，開(kāi)展首次繞火星探測(cè)

20、；在實(shí)現(xiàn)月面軟著陸與月球車巡視探測(cè)（2012年）的基礎(chǔ)上，可適時(shí)開(kāi)展首次火星軟著陸與火星車巡視探測(cè)；在實(shí)現(xiàn)月球自動(dòng)采樣返回（2017年）的基礎(chǔ)上，發(fā)射火星軟著陸器探測(cè)與自動(dòng)采樣返回）。積極開(kāi)展國(guó)際合作，使我國(guó)的火星探測(cè)融入國(guó)際主潮流。火星探測(cè)的科學(xué)問(wèn)題 新世紀(jì)火星探測(cè)的科學(xué)問(wèn)題主要是：（1）進(jìn)一步探測(cè)近火星空間和火星表面的環(huán)境火星磁層、電離層、磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的特征； (2) 檢測(cè)火星大氣層的結(jié)構(gòu)，成分、氣象和氣候特征及其變化規(guī)律，尋找過(guò)去氣候變化的證據(jù)，研究火星氣象與氣候的演化歷史及未來(lái)變化趨勢(shì)； (3)精細(xì)探測(cè)火星地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、土壤與巖石的礦物與化學(xué)成分特征，特別是沉積巖的分布范圍、區(qū)域、巖性和年齡，冰物質(zhì)的分布與變化特征，火星水體產(chǎn)生、演化與消失過(guò)程以