火星探測的主要課件

火星探測的主要科學(xué)問題1目錄一、火星探測的歷程與未來計劃

二、火星探測的主要成就

三、我國火星探測“探”階段的規(guī)劃建議

四、2009年-中俄合作火衛(wèi)-1探測23ViewMarsbyHubbleSpaceTelescopeFlightintoMarinerValley4一、火星探測的歷程與未來計劃自上世紀(jì)60年代首次實(shí)現(xiàn)火星探測開始，迄今為止，一共進(jìn)行了38次火星探測，成功17次?；鹦堑奶綔y取得了大量有價值的成果?；鹦翘綔y可以劃分第一次高潮、寧靜期、第二次高潮三個階段：第一次高潮（1960~1975年）：前蘇聯(lián)“火星探測器”系列、“火星號”系列和“宇宙號”系列；美國1964~1971年“水手號”系列和1975年“海盜-1、2”探測器?；鹦翘綔y寧靜期（1976~1992年）：約17年時間內(nèi)只有前蘇聯(lián)1988年進(jìn)行了火衛(wèi)1的探測。第二次高潮（1992年~現(xiàn)在）：1992年美國發(fā)射了“火星觀察者”探測器，相繼于1996年發(fā)射了“火星全球勘測者”探測器和“火星探路者”探測器，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國、歐空局等都實(shí)施了火星探測，并制定了詳細(xì)的探測規(guī)劃，目前已經(jīng)完成發(fā)射的有美國的火星奧德賽軌道器勇氣號/機(jī)遇號探測器，火星偵察軌道器以及歐空局的火星快車等探測器，掀起了火星探測的又一次高潮。567美國的火星探測計劃美國NASA近期和中期火星探測任務(wù)已實(shí)現(xiàn)對火星的飛越、環(huán)繞、著陸和巡視探測，獲取了大量探測成果。82009-2020年火星探測計劃時間任務(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)驗室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）GroundBreaking火星樣品采集(GBMSR)偵察任務(wù)（Scout）天體生物學(xué)實(shí)驗室和深鉆偵察任務(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)驗室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）天體生物學(xué)實(shí)驗室偵察任務(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)驗室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）偵察任務(wù)返回器樣品返回（MSRwithRover）偵察任務(wù)（Scout）深鉆探索現(xiàn)代生命存在環(huán)境，風(fēng)險最大研究火星演化低緯度的火星科學(xué)實(shí)驗室（MSL）偵察任務(wù)（Scout）GroundBreaking火星樣品返回(GBMSR)上層圈氣流研究觀測網(wǎng)偵察任務(wù)（Scout）建立在火星不曾有水的基礎(chǔ)上910歐空局的火星探測計劃ESAAurora火星探測路線圖實(shí)施Aurora火星探測計劃，預(yù)計于2033年實(shí)現(xiàn)載人登陸火星。俄羅斯、日本及印度等國家也紛紛出臺了火星探測計劃

1121世紀(jì)前半葉，深空探測的主體走向：以月球與火星探測為軸心的太陽系探測；主要的科學(xué)問題是：（1）太陽系的起源和演化；（2）地外生命的探索與生命起源；（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）探討火星的長期改造與今后大量移民的前景。為人類社會的持續(xù)發(fā)展服務(wù)。12火星探測的主題——類似地球的行星

（1）與地球進(jìn)行比較行星學(xué)研究和太陽系起源與演化研究；（2）探測水體和生命的信息；探索生命起源。

13二、火星探測的主要成就通過40多年的火星探測，對火星基本物理參數(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。

14主要?dú)怏w％微量氣體10-6CO2N240ArO2COH2O95.32.70.60.130.070.0339ArNeKrXeO352.530.080.04～0.2火星大氣成分火星大氣層15火星大氣層大氣壓：6—10毫巴（相當(dāng)于地面35Km高度）大氣運(yùn)動：火星表面溫度及氣壓快速波動，臺風(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?；鹦谴髿鈱拥拿芏群蜏囟入S高度的變化16火星大氣層的溫度與水蒸氣分布17火星的臺風(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）18火星全球性塵暴19火星的地形探測20火星的地形面貌分布明顯不對稱，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，Olympus山直徑達(dá)550公里，比周圍平原高25公里，是迄今發(fā)現(xiàn)的太陽系最大的火山機(jī)構(gòu)。21火星的地形特征22火星地形分類略圖23

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。245°S,297°E,2004-03-26,byG.Neukum25M?ssbauerspectrashowjarosite

Opportunity/MRO,2004-03-02small-scalecrossbedding26ConcentrationsofMg,Al,ClandBrversusSinrocksandsoils

indicateswateralteration

L.A.Haskinetal.,2005,NatureLetters,Vol.4362710W2E5N6STEShematiteabundance,isoverlainonadaytimeTHEMISChristensenetal.,2001,JGR28MarsHematite29火星的地形與小型撞擊坑3031月球撞擊作用的時間分布重力場與撞擊坑的直徑32撞擊坑密度與火星地貌年齡33風(fēng)的吹揚(yáng)作用水手峽谷地區(qū)出現(xiàn)的沙丘

34水手峽谷地區(qū)整個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。35ThechangeofCO2andH2OiceinNorthPolar36MARSICE37MartiannorthpolarlayereddepositsFishbaugh,2006,JGR38Colourviewofcraterwithwaterice

(70.5°N,103°E,35Kmwide,2kmdepth,15m/pixel)2Feb.2005,fromG.Neukum

39火星的極冠與干枯河網(wǎng)40NanediVallis：具有流水成因特點(diǎn)ParanaValles：具有明顯的河流排水系統(tǒng)。41OlympicaFossae,25.98°N,113.18°W,2001-02-152000-03-194243GulliesinNewtonBasin(MOC2-320)39.0°S,166.1°WNASA/JPL,2002-10-0744GulliesFormationmechanismMGS_88923,65°S,15°W,NASA/JPL,1997-12-2945Groundwatersapping

–NirgalvallisJaumann,Reiss,2002Recent(fewMyr)outflowfromCerberusfossaeBurretal.,GRL,200246ColournadirviewofNicholsonCrater

(100Kmwide,0.0°S,195.5°E,15.3m/pixel)

47Hock,2004482.23°,356.75°,MOCReleaseNo.MOC2-316,2002-06-27

Partially-ExhumedCraterinNorthernTerraMeridiani49WestArabiaTerra,8°N,7°WMOCReleaseNo.MOC2-261,2000-10-4

TerraMeridianimesas,16.87°,331.23°

MOCReleaseNo.M20-01357,2000-10-2350EberswaldeDelta,MGSMOCReleaseNo.MOC2-1225,2005-09-20Innortheastof

HoldenCraternear24.0°S,33.7°W

51WaterAlteration

atGusevCrater

RocksintheGusevCratershowevidenceforinteractionwithwaterhighlyelevatedlevelsofS,Cl,K,P,Br

basalticchemistry,buthighlyoxidizedandlackinginprimarybasalticminerals,IRspectrumfitwellbybasalticglassgoethite(FeO(OH),HydratedIronOxide)finetocoarselayeredsedimentsSpiritlandingsite52MGS探測器遙感觀測解析得到的：火星的地形圖火星重力分布圖火星地殼厚度圖53MGSTESBasaltMapBasalt(Type1spectra)concentratedinSouthernHighlandsBandfieldetal.(2000),Hamiltonetal.(2001)54MGSTESAndesiteMapAndesite(type2spectra)appearsconcentratedinNorthernLowlands,butalsointermixedwithbasaltinSouthernHighlands.Bandfieldetal.(2000),Hamiltonetal.(2001)55火星表面巖石類型分布圖56DistributionoftheHCPsandLCPsonMars

(Bibringetal.

Science,vol.307,2005)OMEGAconfirmstheTESmappingofHCPs,obtainedatmoderate(>3km)resolution,identifiesLCPsathigherresolution(<1km)571997年美國的火星探路者號的著陸器用粒子激發(fā)X射線譜儀對火星表面物質(zhì)進(jìn)行了就位分析，發(fā)現(xiàn)土壤分析結(jié)果與海盜號相同，巖石成份近似地球安山巖，接近地球地殼的平均成份?；鹦潜砻嫱寥赖幕瘜W(xué)成分特征58火星巖石成分與地球巖石成分的比較59火星巖石成分與地球巖石成分的比較60月球巖石火星巖石地球巖石月球、火星與地球巖漿結(jié)晶過程的比較61月球巖石火星巖石地球巖石月球巖石火星巖石地球巖石月球、火星與地球巖漿結(jié)晶過程的比較62月球：超基性巖+基性巖，橄欖巖，輝長巖，斜長巖，玄武巖；火星：超基性巖+基性巖+中性巖橄欖巖，輝長巖，閃長巖，斜長巖，玄武巖，安山巖；地球：超基性-基性-中性-酸性-堿性巖超基性巖，斜長巖，基性巖，閃長巖，花崗巖，正長巖；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63月球、火星與地球的磁場

根據(jù)月球軌道飛行器測量的結(jié)果，月球沒有全球性的偶極磁場。在Apollo探測中，只檢測到了一個非常弱的磁場大約只有(3～300)×10-9T。對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強(qiáng)度。表明古代月球具有偶極磁場。64火星現(xiàn)在沒有全球性偶極磁場，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。6566火星的內(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％67火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式68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69火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和熱歷史簡圖70水星、金星、火星與月球的能量隨時間的變化71月球、火星與地球演化特征比較半徑（km）大氣壓磁場內(nèi)部巖漿演化活動性天體生命月球174010-14無超基性+基性無基本終結(jié)火星33700.003-0.005多極子磁場超基性+基性-中性極弱衰老地球63701偶極子磁場超基性+基性+中性+酸性+堿性中等（火山、地震）壯年期72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)極簡單簡單復(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73火星生命之謎747576火星生命遺跡的爭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77結(jié)論根據(jù)已有的探測成果，火星曾經(jīng)有過一個統(tǒng)一的偶極磁場，現(xiàn)演化為多極子磁場；有過濃密得多的大氣圈，現(xiàn)演化為極稀薄的大氣圈；有過液態(tài)水和水的地質(zhì)作用，表面水圈的消失不明，尚未探測到沉積巖的發(fā)育；表面有過很適宜的溫度，有可能發(fā)育過生命。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，但比地球簡單。78三、我國火星探測“探”階段的建議：我國深空探測的戰(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，形成我國統(tǒng)一的深空探測國家戰(zhàn)略與發(fā)展計劃。我國有能力力爭在實(shí)現(xiàn)繞月探測之后，開展首次繞火星探測；在實(shí)現(xiàn)月面軟著陸與月球車巡視探測（2012年）的基礎(chǔ)上，可適時開展首次火星軟著陸與火星車巡視探測；在實(shí)現(xiàn)月球自動采樣返回（2017年）的基礎(chǔ)上，發(fā)射火星軟著陸器探測與自動采樣返回）。積極開展國際合作，使我國的火星探測融入國際主潮流。79火星探測的科學(xué)問題

新世紀(jì)火星探測的科學(xué)問題主要是：（1）進(jìn)一步探測近火星空間和火星表面的環(huán)境——火星磁層、電離層、磁場和重力場的特征；(2)檢測火星大氣層的結(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變化趨勢；(3)精細(xì)探測火星地形、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、演化與消失過程以及現(xiàn)今埋藏部位；(4)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測及與地球的對比研究，探討類地行星的演化史；(5)尋找火星生命存在的間接證據(jù)（火星的水體與大氣層的甲烷）；(6)在火星上建立觀察站和實(shí)驗室，探測火星資源。

80我國火星探測的主要科學(xué)目標(biāo)：1、基礎(chǔ)性的系統(tǒng)探測：