{ "id": "mars", "title": "火星", "lang": "zh-Hans", "source_lang": "en", "summary": "火星是距太阳第四近的行星，寒冷干燥、尘土遍布，是仅次于地球探索最多的行星。", "category": "science", "subcategory": "astronomy", "type": "place", "aliases": [ "荧惑" ], "generated_at": "2026-10-08", "model": "pro/claude-haiku-5-5", "url": "https://aiwiki.page/zh/mars/", "translations": { "en": { "url": "https://aiwiki.page/en/mars/", "json": "https://aiwiki.page/en/mars.json" } }, "sections": [ { "heading": "", "text": "火星是距离太阳第四近的行星，也是太阳系中第二小的行星。其寒冷干燥的表面覆盖着氧化铁尘埃，使这颗星球呈现红褐色；其稀薄的大气主要由二氧化碳组成。与地球一样，火星有季节变化和极冠，自转周期接近一天，岩质表面则受火山活动、撞击、风和水的塑造。因此，火星是检验类地行星如何形成、如何随时间演化的最佳场所之一，也是研究在不同条件下地球大气层和气候可能如何演变的理想对象。\n\n火星之所以重要，主要有三个原因。首先，其岩石记录保存了液态水曾在其表面流动的证据，这使它成为寻找过去生命的首要目标。其次，它是地球以外探测最为密集的行星，轨道器、着陆器和探测车在那里已运行了数十年。第三，它是月球之外最常被提议作为载人航天目的地的天体，由此引发的工程、医学、法律和伦理问题，远远超出了行星科学的范畴。\n\n本词条首先介绍火星的轨道、地质、内部结构、大气、水的历史以及卫星。随后阐述火星的观测与命名历史、机器人探测、采样返回计划及其当前状况，以及即将开展的任务。最后讨论载人探索、资源利用、行星保护、地球化改造之争，以及火星在文化和虚构作品中的形象。" }, { "heading": "轨道与基本物理性质", "text": "火星绕太阳公转，平均距离约为 1.52 天文单位，即约 2.28 亿千米。火星到太阳的平均距离（称为半长轴）为 2.28 亿千米。它的轨道比地球的拉得长得多：离心率约为 0.093，地球约为 0.017；its距离在近日点约为 2.067 亿千米，在远日点约为 2.492 亿千米之间变化。火星的轨道是太阳系中离心率第二大的轨道，只有水星的轨道离心率更大。火星绕日一周约需 687 个地球日，因此一个火星年约为 1.88 个地球年。\n\n火星是一颗小天体。它的平均半径约为 3390 千米，直径大约只有地球的一半。火星的质量约为地球的 0.107 倍，由此得出其平均表面重力约为 3.7 米/秒²。火星的平均表面重力为 3.73 米/秒²，地球为 9.82 米/秒²，二者之比为 0.380。火星上的一天称为“太阳日”（sol），仅比地球上的一天稍长：为 24 小时 39 分 35.244 秒。由于火星体积小、质量也不大，其引力较弱，因此一个人在火星上的体重会比在地球上轻得多。\n\n火星的自转轴相对于其轨道面倾斜约 25.2 度，略大于地球约 23.5 度的倾角。因此，火星和地球一样有四季，但由于火星的公转周期长得多，火星上的每个季节几乎是地球的两倍长。椭圆轨道使南北两个半球之间产生了强烈的不对称。火星接近近日点时，南半球为夏季，北半球为冬季；接近远日点时，南半球为冬季，北半球为夏季。因此，南半球的夏季较短但接收的太阳能较多，北半球的夏季较长但较为凉爽。自转轴倾角的长期变化将在大气与气候部分讨论。\n\n火星目前没有全球性磁场，其较小的质量也限制了它对气体的引力束缚。火星的逃逸速度约为 5.0 千米/秒（精确值为 5.027 千米/秒），不到地球约 11.2 千米/秒的一半。因此，气体分子，尤其是较轻的分子，在火星上更容易达到逃逸速度，所以经过数十亿年，火星早期较厚的大气可能逐步流失到太空中。缺乏全球性磁场也可能使太阳风更直接地与高层大气相互作用，但与引力相比，这一因素有多大影响仍是活跃的研究课题。关于火星磁场的历史，将在内部结构部分讨论。" }, { "heading": "地表地质与地貌", "text": "火星表面的地貌主要由少数几种巨大的地貌特征塑造，它们分别由火山活动、断层作用、撞击和风力形成。由于火星目前几乎没有板块构造活动，火山热点可以在同一位置长期持续喷发，其中一些形成的结构规模在地球上无与伦比。\n\n其中最大的是塔尔西斯区（Tharsis），这是一个位于赤道附近的宽阔火山隆起，跨度达数千公里，平均高出火星平均海拔约10公里。三座大型盾状火山——阿西亚山（Arsia Mons）、帕沃尼斯山（Pavonis Mons）和阿斯克雷乌斯山（Ascraeus Mons）——沿隆起的脊部排列，每座直径约350至450公里。隆起的西北边缘是奥林匹斯山（Olympus Mons），直径约600公里。关于其高度的公布数值约为22至27公里，取决于底部的界定方式，使其成为太阳系中已知最高的火山。其熔岩流比典型的地球熔岩流长得多，这通常归因于高喷发速率以及火星较弱的引力。\n\n塔尔西斯以东是水手峡谷（Valles Marineris），一组几乎沿赤道延伸的峡谷系统。它延伸超过4000公里，约占火星周长的很大一部分，最深处约7公里。根据测量方式不同，其宽度报告值约在200至600公里之间。该系统以1971至1972年发现它的水手9号轨道器命名。其成因主要是构造作用：塔尔西斯地壳隆起时发生拉伸和断裂，沿断层形成的地块下陷。后期的改造包括塌陷、滑坡、地下水流失，以及风力和可能存在的液态水流的侵蚀，这些作用使峡谷进一步拓宽。峡谷壁暴露出厚厚的成层岩系，地质学家依靠这些地层学证据重建火星的历史，而此处过去水活动的范围仍有争议。\n\n最根本的表面差异是火星的地壳二分性，它把火星分为南部高地和北部低地。高地遭受大量撞击，形成年代较早；低地则较为平坦，撞击坑稀少，形成年代较晚。两者的边界在某些地方非常陡峭，高程差可达数公里，低地之下的地壳也明显更薄。目前主要有两类解释。一类认为，二分性是火星早期地幔对流造成的。另一类认为，一次或多次巨大撞击挖空了北半球，候选结构是Borealis盆地，一个广阔且近似椭圆形的洼地。在适当的撞击条件下，撞击模型可以再现该盆地的大小和形状，但北半球缺乏强烈的磁信号，也没有大范围的火山活动，这使撞击说更为复杂。部分研究人员引用2025年对两个半球所记录火星震动的研究，认为这支持地幔对流的观点。这一问题仍未解决。\n\n撞击盆地记录了火星早期遭受轰击的最清晰证据。位于南半球的希腊平原（Hellas Planitia）直径约2300公里，被认为是火星上保存最完好的最大撞击结构。其底部比周围地形低数公里，使其成为火星最低的地区之一，并具有异常高的大气压力。它的形成一般被认为发生在火星历史早期，当时大型撞击体仍然较为常见。其他大型盆地和撞击坑呈现出不同的侵蚀退化程度，这使研究人员能够比较不同条件下地表的老化过程。\n\n风和冰重塑了火星大部分较年轻的表面。北极和南极的层状极冠沉积由尘埃与水冰交替形成的层组成，其地层记录了长时间尺度上的气候变化。深色沙丘场，其中许多环绕极区分布，目前正在被风成作用移动和重塑。沙尘暴可以在数天内重新排列这些沉积物，因此从轨道上看到的地表只是一个活跃系统的瞬时快照。综合来看，这些地貌表明火星地表是火山活动、构造运动、撞击和气候共同作用的结果，而非任何单一过程所致。轨道成像和雷达等遥感手段是绘制这些地貌的核心。" }, { "heading": "内部结构与地震学", "text": "火星通常被建模为一个分异天体，由三个主要层次组成：地壳、硅酸盐地幔和金属核心。几十年来，这些层次都是间接推断出来的，依据是行星的质量、转动惯量（描述质量如何向中心分布）以及轨道器和着陆器的运动。地震学首次提供了直接测量。由于火星没有板块构造，人们常将其内部与月球和地球的内部结构进行比较，而地震数据是检验这类比较的主要依据。\n\nNASA 的 InSight 着陆器于 2018 年底抵达火星，搭载了 SEIS 地震仪。它抵达后不久便探测到第一次已知的火震。在整个任务期间，着陆器的仪器共记录到一千多次震动，其中大多是轻微的震动。任务于 2022 年底结束。许多事件来自距离着陆器很远的一个地震活跃区，其中不少地震发生在距着陆器超过 1000 千米的地方。距离对核心研究十分重要：从 InSight 所在位置看，地震核心阴影覆盖了火星表面的一半，其中包括大部分可能活跃的区域，这限制了可供记录和利用的事件数量。\n\n在地下边界处反射和转换的地震波首次给出了地壳厚度的直接测量结果。在着陆器下方，若第二个界面是地壳的边界，则厚度为 20 ± 5 千米；若第三个界面是边界，则厚度为 39 ± 8 千米。结合全球重力和地形图，研究人员估计火星地壳的平均厚度介于 24 至 72 千米之间。最上层薄而弱：厚度为 6 至 11 千米、横波速度在 1.2 至 2.1 千米/秒之间的第一层，与破碎或蚀变的物质相符。在地壳之下，刚性岩石圈异常深厚，而地壳本身似乎富集放射性元素。这些元素为该层提供热量，代价是内部保存的热量减少。\n\n核心是这幅图景中最未定论的部分，其估计数值已多次变化。第一次地震分析将液态核心的半径定为 1830 ± 40 千米，平均核心密度为每立方厘米 5.7 至 6.3 克，表明铁镍合金中溶解了相当比例的轻元素。后来的重新分析认为核心较小：核心半径减小为 1675 ± 30 千米，密度增至每立方厘米 6.65 ± 0.1 克，并且在金属之上存在一层约 150 千米厚的熔融硅酸盐层。另一项研究利用了 PKKP 和 PKiKP 地震震相（它们穿过或从深部核心反射），将火星内核的半径推断为约 613 ± 67 千米。若得到证实，这意味着火星有一个位于液态外核之内的固态内核，但该结果尚未被普遍接受，一些研究者认为火星可能根本没有内核。\n\n火星还保留着已消失磁场的证据。火星全球勘测者号表明，在没有活跃核心发电机的情况下，火星仍带有强烈的地壳磁场。被磁化的岩石集中在南部高地，而地壳的地形二分性与地壳磁化的分布格局高度吻合。因此，这一磁场被归因于早期的核心发电机，地壳在冷却时记录下了它。发电机停止运转的时间尚有争议。对陨石坑的分析表明，发电机在绝对模式年龄为 41.2 至 41.4 亿年时停止运转。另有一些形成于 39 亿至 35 亿年前的火山岩磁化强烈，说明发电机在它们形成期间仍在运行，这将把发电机的停止时间推迟。\n\n发电机很可能由核心散失的热量驱动，因此其历史与内部的冷却过程密切相关。一项研究指出，发电机很可能由行星冷却提供动力，因此其终止与火星核心的热化学演化及其当前的物理状态紧密相连。研究者还提出，发电机的停止可能促成了大气和地表水的流失：早期的发电机可能在行星的气候演化与宜居性中发挥了关键作用，其终止可能引发了火星向如今寒冷干燥状态的转变。这一联系，以及停止运转的确切时间和原因，仍是活跃的研究问题，尚未有定论。" }, { "heading": "大气、尘埃与季节循环", "text": "火星的大气极其稀薄，以二氧化碳为主。各航天机构汇总的测量结果显示，二氧化碳约占体积的95%，另含约2.7%的氮、约1.6%的氩，以及仅约0.13%的氧。水汽是一种痕量成分，随季节和地点而变化，空气中还含有少量一氧化碳。由于大气非常稀薄，地表平均气压仅约6毫巴，不到地球海平面气压的百分之一。在低压强和约−60 °C的平均气温下，按目前的条件，液态水无法在地表稳定存在。\n\n大气还会随一年中的季节变化，主要原因是二氧化碳。每个半球的冬季，气温低到足以使CO₂从大气中凝结析出，在极冠上形成霜或雪。春季和夏季，霜升华回到空气中。这一交换使冬季大气总质量减少约四分之一，并造成地表气压的季节性周期变化，其峰峰振幅约为25%至30%。两个极地的变化方向相反：升华中的极冠向正在凝结的极冠输送CO₂气体，全球气压随季节同步升降。两个半球之间的气压差在南半球为夏季、北半球为冬季时最大，这会驱动大范围的风系，朝向冬季的极地吹去。\n\n尘埃是火星大气的永久组成部分，也是大气加热和环流的主要驱动因素。风会从地表扬起富含铁的细小颗粒，形成在某些地区常见的尘旋风，以及规模更大的区域性沙尘暴。偶尔，风暴会扩展到覆盖整个星球。这类全球性沙尘暴可将尘埃抬升至约20公里的高度，并可持续数月。它们往往始于南半球夏季，此时火星离太阳最近，南极二氧化碳冰盖迅速升华。据估计，这类风暴平均约每三个火星年发生一次，但发生时间并不规律。尘埃使大气在光学上变厚，减少到达地表的阳光。这会影响太阳能电池阵的发电量和航天器的热平衡，并迫使任务转入低功耗模式，甚至被迫终止。因此，电池容量和功率规划是地表任务运营的核心问题。轨道遥感被用于追踪风暴的发展，以便运营人员提前安排工作。\n\n火星的自转轴倾角（即黄赤交角）目前约为25度，与地球相近，但随时间的变化要大得多。地球的倾角相对稳定，因为月球起到了稳定作用；而火星的倾角则会受到其他行星引力的混沌扰动。模型研究对其完整变化范围的看法并不一致：有的认为倾角可从接近零变化到约60度，有的则认为范围更大。计算向过去或未来推演得越远，不确定性越大。倾角较大时，阳光会更多地重新分配到两极，水冰则从极冠迁移出去，在中纬度地区沉积冰和尘埃；倾角较小时，冰则退回到两极。轨道器数据显示，火星在过去几亿年中经历过若干这样的周期，且每次冰期遗留的冰都比前一次少。行星轨道的变化（偏心率）也会加剧这一效应。这些气候模型结果被用来解释极地分层沉积物和中纬度冰储层，并将大气循环与该星球更漫长的古气候记录联系起来。" }, { "heading": "水、冰与古气候记录", "text": "液态水曾经在火星表面的部分地区流动，相关证据如今已经相当丰富。一些河谷网络的末端呈现出类似被侵蚀三角洲的地貌，其蜿蜒的河道比例与地球上的河流相似。在一些河谷网络末端、被解释为被侵蚀三角洲的地貌上，其水道特征也被认为是流水形成的独特标志。在盖尔陨石坑，好奇号火星车的调查表明，大约在38亿至33亿年前，曾有溪流和湖泊在此活动，它们带来的沉积物逐渐堆积，形成了夏普山的下部地层。在杰泽罗陨石坑，一条汇入的溪流在与一个静止的湖泊相遇时沉积了泥沙，形成了一个至今仍保存完好的三角洲。水流进入湖泊的地方沉积形成了三角洲，即由水流携带来的沉积物堆积成的扇形地貌。\n\n洪水也塑造了这片地貌。由蒂莫西·古吉（Timothy Goudge）领导的一项研究估计，至少25%的河谷是由湖泊溃决洪水形成的，即湖水漫过其边缘岩壁后造成的洪水。研究人员已经统计出更多此类盆地：超过200个湖盆曾蓄积了足够的水，足以冲破限制它们的地形，引发灾难性洪水，并切割出出口峡谷。这些水的来源至今仍有争议。科罗拉多大学博尔德分校2025年的一项研究比较了降雨或降雪侵蚀与冰层融化侵蚀，结果显示，降雨或降雪模型最能解释今天火星上仍可见的侵蚀特征。\n\n如今，火星上储存着大量的水，但几乎全部处于冰冻状态。火星的极地和地下长期存在着丰富的冰。然而，火星表面本身并不适合液态水存在。早期飞掠探测的数据显示，大气压仅约为六毫巴，年平均气温比冰点低50摄氏度。在这样的条件下，如果把一桶水放在那里，它或许需要一段时间，但最终会结冰或蒸发。因此，暴露在表面的冰往往会直接转变为水蒸气，这一过程称为升华。这也是为什么近地表卤水的稳定性成为地下水研究中的核心难题。\n\n目前争议最大的现存证据与重复性斜坡线条（RSL）有关。这些暗色条纹会在温暖季节每年重新出现并逐渐延长，在寒冷季节则逐渐褪色。2015年，美国国家航空航天局报告称，行星科学家在黑尔陨石坑的斜坡上探测到水合盐，这佐证了他们最初的假设，即这些条纹确实是由液态水形成的。另一些分析则对其中涉及的水量设定了严格限制。火星奥德赛号的温度数据表明，这些暗色条纹处的水量存在上限：大致与地球上最干燥的沙漠沙子中的含水量相当。2025年发表于《自然·通讯》的一项研究认为，RSL及其他条纹与水无关。该研究通过对50多万条条纹进行机器学习分析，认为只有风和尘埃才是其成因。因此，这个问题仍然悬而未决。\n\n矿物则提供了更长期的气候记录。轨道光谱分析显示，这些矿物似乎形成于两个不同的气候时期：诺亚纪（约42亿至37亿年前）大概更为温暖湿润，形成了黏土矿物；而过渡性的赫斯珀里亚纪（约37亿至30亿年前）似乎标志着向更干燥、酸性更强的气候转变，并形成了硫酸盐。这种从黏土到硫酸盐的变化，被解读为行星向干燥环境的转变。较老地层中明确的富铁/镁蒙脱石，到较年轻地层中的含水硫酸镁盐，这一矿物学上的清晰转变，也是盖尔陨石坑被选为着陆点的原因之一。然而，火星车的记录使这一简单图景变得复杂。2026年一项针对盖尔陨石坑过渡层的研究得出结论：保存下来的沉积序列记录了水分供应和沉积物供给的反复波动，反映的是一段动态的气候历史，而非单一的干化趋势。\n\n这些观测结果与气候理论并不完全吻合。气候模型表明，长期温暖的条件难以维持，尽管古老地形上的河谷网络和三角洲指向曾经存在流水。如何调和地质证据与模型之间的矛盾，包括地表如何保持足够温暖以使湖泊和河流得以持续存在的问题，仍然是火星古气候研究的核心任务。" }, { "heading": "卫星：火卫一与火卫二", "text": "火星有两颗小卫星，分别是火卫一和火卫二，均由阿萨夫·霍尔于1877年发现。火卫一的平均直径约为22千米，火卫二约为12千米，两者都远小于地球的月球，小到无法依靠自身引力收缩成球形。它们的不规则外形是质量很小、自引力较弱的天体的典型特征。火卫一绕火星运行，距离表面约9400千米，绕行一周不到8小时，比火星自转还快。火卫二的轨道远得多，距离表面约23000千米，绕行一周约需30小时。\n\n这两颗卫星的起源至今尚无定论。第一种假说是俘获说：这两颗卫星原本是在别处形成的小行星，后来被火星的引力捕获。它们表面暗淡、反照率低，光谱与碳质的D型小行星相似，这一点在数十年里支持了这一观点。但问题出在轨道上。被俘获的天体通常会有拉长的轨道，且轨道倾角随机分布；而火卫一和火卫二却近乎圆形地贴近火星赤道运行。第二种假说是巨大撞击说：一次大规模碰撞可能把碎片抛入火星轨道，这些物质随后重新聚集成卫星。该情景可以自然解释近赤道、近圆形的轨道，因此常被认为是最受青睐的解释，不过它也有自身的困难。模拟显示，两颗卫星应包含火星物质与撞击体物质的混合物，而撞击产生的高温会使水等挥发性元素流失。此外，还有一些其他设想，例如一颗单独的原始卫星解体，或由被俘获的小行星物质形成的环状结构，也都有人提出过，但仍存在争议。\n\n两颗卫星的轨道都在缓慢变化。火卫一位于火星的同步轨道之内，即卫星公转周期与火星自转周期相等的距离。因此，火星的潮汐力会把火卫一向内拖拽，它正以每年约1.8厘米的速度螺旋式地向火星靠近。在数千万年的时间尺度上，它很可能会解体或坠落到火星表面。火卫二位于同步轨道之外，潮汐作用则使它缓慢向外移动。火卫一表面还有若干凹槽，以及巨大的斯蒂克尼撞击坑，这些特征记录了这颗小天体过去所受的撞击和应力。\n\n日本的火星卫星探测计划（MMX）是首个试图直接解答这一问题的任务。该计划由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制，2020年获批开始研制，计划于2026年10月20日（日本时间）搭乘H3火箭从种子岛发射，若遇延误，备用发射窗口可延续至11月初。探测器经过约一年的巡航后，预计于2027年抵达火星。它将从轨道上对两颗卫星进行研究，并将着陆于火卫一，使用双采样器采集至少10克物质，同时借助由法国和德国提供的一台小型探测车协助工作。样品计划于2031年带回地球。该任务是一项国际合作项目，美国国家航空航天局、法国国家空间研究中心、德国航空航天中心和欧洲航天局均有参与。任务载荷包括一台伽马射线与中子谱仪，可测定表面的元素组成和氢含量。\n\n如果任务成功，MMX将成为首次从这两颗卫星之一带回样品。在地球上的实验室分析，可以以远高于遥感的精度测定同位素比值、挥发性物质含量和矿物组成。这些测量结果可用于检验火卫一是否由火星物质与撞击体物质构成，从而支持巨大撞击说；或者它是否保留了小行星的原始成分，从而支持俘获说。答案还将帮助限定火星本身的形成过程，以及水和有机物质如何被输送到太阳系内侧。" }, { "heading": "地质历史与火星陨石", "text": "行星科学家将火星的历史划分为三个纪：诺亚纪、赫斯珀里亚纪和亚马孙纪。这些界限主要依据各个表面撞击坑的分布密度，而非岩石类型。诺亚纪得名于诺亚希斯地（Noachis Terra），那是南部一片古老而崎岖的高地，因此它是最古老的纪。多数估计认为诺亚纪约在37亿年前结束，赫斯珀里亚纪则大约在29亿至33亿年前结束。赫斯珀里亚纪最初以赫斯珀里亚平原（Hesperia Planum）命名，但由于原有岩石已无法作为统一的标志，其起点现在通过撞击坑统计来定义。撞击坑计数是主要手段。诺亚纪中期的地形每百万平方千米可有超过400个直径大于5千米的撞击坑，而亚马孙纪初期则仅有约25至67个。要把这些密度换算成年代，需要对撞击速率随时间的变化作出假设，而且该速率并非简单地线性下降。因此，绝对年代取决于模型，各纪的相对先后顺序比确切年代更可靠。\n\n早期火星受到强烈的天体撞击而塑造成形。诺亚纪的地形保存了这一密集撞击时期的记录。火山活动和侵蚀作用也很活跃，一些研究者认为，年轻的火星可能曾拥有更为稠密的大气层，不过这仍只是一种假说。较晚的赫斯珀里亚纪以大面积的熔岩平原为特征。进入亚马孙纪后，撞击坑相对变得稀少，地表主要由熔岩流、风力以及缓慢的大气流失所重塑。\n\n除着陆器和探测车所获取的数据外，火星陨石是科学家在地球上拥有的唯一火星实物样本。它们的来源之所以能被确认，是因为这些岩石是被足够强烈的撞击从火星表面抛射出去的。其中一些已被确定来自火星。研究人员通过矿物学特征，以及封存在其玻璃质或细粒物质中的气体来识别它们，这些气体的成分与海盗号着陆器测得的大气成分相吻合。\n\n其中最著名的是ALH84001，1984年在南极艾伦山冰原被发现。这是一块重约1.9千克的火成岩，据信在45亿年前从火星上的岩浆中结晶形成。之后，碳酸盐矿物被带入冲击诱导产生的裂隙中，又一次撞击将这块岩石炸入太空。1996年，由大卫·麦凯（David McKay）领导的美国国家航空航天局团队提出，陨石中的碳酸盐是由火星微生物形成的。证据包括碳酸盐小球、多环芳烃、类似细菌所形成的富铁颗粒，以及看似微化石的细长结构。\n\n其他科学家迅速对每一项证据提出质疑。多数专家认为，每一项证据都可以用非生物过程得到充分解释。后续研究又提出了更多替代解释：2011年的一项研究认为，碳酸盐形成于地表水蒸发的过程中，属于地质成因而非生物成因。2002年的一项研究则认为，岩石中的磁铁矿链是可靠的生物特征标志，还有一些研究者仍然认为，火星上约在40亿年前存在过微生物生命。各方资料对这场争论的现状说法不一。一些大众读物称该说法已被推翻，而另一些资料则指出，关于陨石ALH84001是否曾经孕育过火星生命，至今仍未达成共识。目前的共识是，这块岩石确实记录了早期火星上水与岩石之间的真实相互作用，但其中是否保存有化石生命的问题仍未解决。" }, { "heading": "宜居性与对生命的探索", "text": "火星是否曾经支持生命，取决于两个相互关联的问题：它的环境是否曾适合微生物生存，以及是否仍留存此类生命的痕迹。据已知信息，火星现今的表面对生命并不友好，因此大部分证据来自古老岩石，以及用于寻找有机分子和特征化学模式的仪器。每一项证据都存在争议，目前尚无任何发现被公认为确凿证明。\n\n首次直接检验来自两台海盗号着陆器，它们于1976年抵达火星表面，携带了三项生物学实验。标记释放实验探测到一种类似新陈代谢的气体释放，而气体交换实验和热解释放实验的结果则较难解释。与此同时，着陆器上的气相色谱—质谱仪在土壤中未检测到有机化合物。多数海盗号科学家认为，任务并未探测到生命，但这些结果从未得到完全解释。后来发现的高氯酸盐改变了这一局面。凤凰号着陆器于2008年在土壤中发现约0.5%的高氯酸盐，而高氯酸盐受热时会分解有机物，这可能解释了有机物缺失的原因。2013年，Richard Quinn及其同事证明，经伽马射线辐照的高氯酸盐会释放被困的氧气，无需借助生物过程即可重现标记释放和气体交换实验的反应。一些研究者仍认为，标记释放实验的结果尚未得到完全解决。\n\n此后，有机分子多次被发现。好奇号在盖尔撞击坑、毅力号在杰泽罗撞击坑的沉积岩中都探测到了碳基化合物。这类分子并不能作为生命存在的判定依据，因为它们可能由陨石带来，可能由非生物化学反应形成，也可能是从古代环境中保存下来的，而无需任何活体来源。因此，它们的来源仍不明确，其存在只能说明火星上曾具备有机化学的原料，并不能证明那里有生命存在。\n\n表层土壤也使宜居性问题更加复杂。高氯酸盐是一种强氧化剂，对地球上的许多生物有毒，会损害细胞功能，并干扰碘的吸收。不过，地球上的一些微生物可以利用高氯酸盐作为能量来源，因此它的存在并不能自动排除生命的可能。它的实际影响是使近地表环境对常见的地球生物更加不利，并改变了科学家对于在何处寻找保存下来的生物痕迹的判断，这类痕迹往往更可能保存在有遮蔽或埋藏的物质中。\n\n近期最有力的候选者是一块被昵称为\"切瓦瀑布\"（Cheyava Falls）的岩石。2024年7月，毅力号在杰泽罗撞击坑古老河谷边缘的亮天使地层中钻取了这块岩石。岩石上有浅色和深色的斑点，被昵称为\"豹斑\"，其中富含铁和磷酸盐。在地球上，类似的纹理往往与微生物代谢有关，不过也有一些纯化学过程能够形成这样的纹理。样品名为\"蓝宝石峡谷\"（Sapphire Canyon），由毅力号的SHERLOC仪器分析，该仪器探测到了有机化合物。2025年9月，《自然》杂志的一篇论文将这些特征描述为潜在的生物标志物，并报告迄今考虑过的非生物解释缺乏有力支持，但文章并未宣称发现了生命。科学家用\"潜在生物标志物\"一词指代那些可能具有生物成因、但仍需更多数据和实验室研究加以验证的特征。NASA的生命探测置信度量表旨在对此类判断进行结构化评估，同时也清楚地表明，一项主张要被接受需要多少独立证据。\n\n关于火星上季节性甲烷的报告也遵循类似的模式。在地表测得的甲烷变化一直难以证实，因为信号微弱，而且甲烷既可能来自地质过程，也可能来自生物活动。因此，这些报告仍被视为暂定结论。要证实其中任何一种信号，都需要更精确的测量；对于最重要的样本，还需要在地球实验室中进行分析。这也是返回样本的去向与寻找生命的探索密切相关的原因。" }, { "heading": "早期观测与命名", "text": "火星自古代起就被人们持续观测，其偏红的颜色使它在天空中众多游移的光点里格外醒目。巴比伦天文学家记录了这颗行星的位置，并识别出它的视逆行现象：当地球在轨道上超越火星时，火星相对背景恒星的运动路径会暂时反转。在美索不达米亚的传统中，这颗行星与战争和毁灭之神涅伽尔（Nergal）相联系。希腊天文学家继承并扩充了这些记录，而在希腊宗教中，这颗行星则与阿瑞斯（Ares）相对应。罗马作家在采纳并改编希腊诸神体系时，这颗行星便以罗马神话中的战神马尔斯（Mars）命名，这一名称也因此成为西方语言中的标准称呼。\n\n对火星运动的现代科学认识，始于希腊的几何模型，并在17世纪初迎来转折。约翰内斯·开普勒利用第谷·布拉赫在汶岛天文台所做的异常精确的火星观测资料进行研究。开普勒起初尝试用圆轨道来拟合火星的位置，但预测与观测之间约八角分的偏差，使他确信这条轨道不可能是圆形。他于1609年出版的《新天文学》（Astronomia Nova）中的分析表明，火星沿一个以太阳为一个焦点的椭圆运动，并且行星在相等时间内扫过相等的面积。这两项发现与他的第三定律一道，成为行星理论的基础，后来万有引力为艾萨克·牛顿提供了对它们的物理解释。\n\n19世纪，性能提升的望远镜揭示了更多的表面细节，火星也成为大众猜想的焦点。1877年火星近距离接近地球期间，意大利天文学家乔万尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）在米兰的布雷拉天文台工作，绘制了他所描述的一张线状特征网络图。他将这些特征称为 canali，意大利语中的意思是“水道”或“沟槽”。这个词被译成英语“canals”（运河）后，便带有人工水道的含义。美国商人兼天文学家帕西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）接受了这一想法，于1894年在亚利桑那州弗拉格斯塔夫创办洛厄尔天文台，并出版著作，主张这些“运河”是一个日渐衰老的文明所修建的灌溉工程。其他观测者对这些说法提出了质疑。1909年，欧仁·安东尼亚迪（Eugène Antoniadi）使用默东天文台的大型折射望远镜，报告看到的是不规则的斑块，而非笔直的运河。尽管如此，这场关于运河的争论仍然深刻地影响了天文学之外的公众想象。\n\n其他文化也依据自身的思想体系为这颗行星取名。在中国天文学中，它被称为“火星”，这一名称与五行体系中的“火”相关联。在梵语中它被称为Mangala，这一名字与战神相关，印度天文学中也使用Angaraka这一名称。这些传统表明，早在火星被当作一个世界来研究之前，人们就普遍将它视为一个红色、躁动而不祥的天体。\n\n火星表面地物的现代命名遵循国际天文学联合会制定的惯例，该联合会的行星系统命名工作组负责批准太阳系各天体上地物的名称。火星上早期的反照率特征常被赋予古典地名，这一做法可追溯至19世纪的地图绘制者。陨石坑通常以已故的科学家、作家和艺术家命名，而大型峡谷及其他地貌则遵循不同的规则。例如，水手峡谷（Valles Marineris）是以20世纪70年代初对其进行测绘的“水手9号”探测器命名的，这说明火星地物的命名已从望远镜观测发展到了航天器探测。" }, { "heading": "机器人着陆器与漫游车", "text": "机器人航天器从20世纪60年代开始探索火星，每一代机器都拓宽了科学家能在火星表面测量的范围。美国的水手4号于1965年飞掠火星，传回了布满陨石坑的地表图像。这些照片推翻了火星与月球只在陨石坑上相似的预期，迫使行星科学家重新思考火星的地质历史。\n\n最早的着陆尝试由苏联进行，且大多未能成功。火星2号于1971年晚些时候坠毁。它的姊妹着陆器火星3号于1971年12月2日着陆，成为第一个在火星上实现软着陆的航天器，但在大约15至20秒后便失去了信号。各方资料的具体数字有所出入：多数资料给出约14.5秒，而行星学会给出20秒。最终传回地球的只有一幅局部、缺乏细节的灰色图像。故障究竟出在着陆器上，还是出在上方轨道器的中继链路上，至今仍不清楚，当时正在肆虐的沙尘暴被认为是主要嫌疑。两个苏联着陆器都携带了小型漫游车，但从未被释放。美国随后于1976年发射了海盗1号和海盗2号。它们是美国首批长期工作的着陆器，多年间传回了全景图像和气象数据。它们搭载的生物学实验（本词条其他部分会讨论）至今仍有争议。\n\n真正的移动探索始于索杰纳号。它于1997年7月随美国宇航局的探路者任务着陆。这台六轮漫游车重约10.6千克，大小与微波炉相当，工作了83个火星日，远远超出了原计划的一周。它依赖着陆器进行通信，着陆器电池失效后便失去了联系。它的两个后继者勇气号和机遇号设计任务时长为90个火星日，于2004年1月分别在火星两侧着陆。勇气号于2009年陷入松软的土壤，并于2010年停止工作。机遇号行驶了约45公里，于2018年因一场全球性沙尘暴而结束任务。好奇号体型与汽车相当，配有长长的机械臂和以放射性同位素为基础的核能发电能源，于2012年8月降落在盖尔陨石坑。它的仪器旨在检验该地点是否曾经适宜居住。毅力号于2021年2月抵达杰泽罗陨石坑，携带钻头和密封样品管，用于采集岩芯，并被设计为将样品储存起来，以便未来可能送回地球。\n\n从索杰纳号到毅力号的发展可以从三个方面来理解：机动性、仪器配置以及所考察地点的范围。早期漫游车只能行驶很短的距离，依靠简单的相机和光谱仪。后来的车辆可以行驶数十公里，携带更多用于光谱学和化学分析的工具，并能够抵达早期机器无法通过的地形。最初几代依靠太阳能电池板供电，而长寿命的好奇号和毅力号则依靠不受沙尘遮蔽天空影响的核能源。这一能源形式的变化，是这些车辆能够度过季节更替和沙尘暴、而早期任务难以坚持下来的原因之一。\n\n飞行是下一步。美国宇航局的机智号直升机是一项技术验证项目，不携带任何科学仪器。它于2021年4月19日完成了人类首次在另一颗行星上进行的有动力、可操控飞行。它爬升了约3米，悬停，并在空中约39秒后着陆。由于火星大气的表面气压不到地球的1%，它的旋翼必须高速旋转才能产生足够的升力。机智号与毅力号一同搭乘前往火星，之后被释放到地表。在近三年的时间里，它完成了72次飞行，为漫游车充当侦察兵，最后一次飞行于2024年1月18日进行。\n\n尽管取得了这些成就，火星机器人探测的记录中也充满挫折。行星学会估计，火星任务中约有一半失败，原因包括着陆问题、沙尘、通信中断和机械故障等。每次着陆都要借助机器人学实现的自主制导穿过稀薄的大气层，而每次地表任务都依赖经常由轨道器中转的电信无线电链路。正是这些困难，使火星着陆器和漫游车的历史既是科学发现的故事，也是工程经验教训的积累。" }, { "heading": "轨道器与中继网络", "text": "自20世纪70年代初以来，轨道器一直是火星探测的主力。它们测绘地表、采样大气，并充当地面所有活动的通信枢纽。这支机队随时间不断变化，其中一些成员已经退役，或即将结束使命。\n\n火星全球勘测者号于1997年9月抵达火星，首次采用了气动制动技术：航天器反复掠过稀薄的高层大气，在几乎不耗费燃料的情况下降低轨道高度。它的相机传回了超过24万张图像，其激光高度计则绘制出了火星详细的地形图。它的数据还帮助选定了三台火星车和凤凰号着陆器的着陆点。火星奥德赛号于2001年4月发射，搭载了一台伽马射线谱仪，绘制出了近地表化学元素的首幅全球分布图，此外还带有一台热成像仪。截至2026年，它仍在运行，并保持着围绕地球以外行星运行的航天器中连续工作时间最长的纪录。火星勘测轨道器于2005年发射，集成了高分辨率相机、可见光与红外光谱仪，以及可探测地下层理的雷达探测仪。MAVEN于2014年9月进入火星轨道，研究上层大气如何逸散到太空中。它于2025年12月失去联系后，NASA于2026年6月正式宣布结束该任务。\n\n欧洲、印度、阿联酋和中国的轨道器则以不同的仪器和侧重点延续了这些工作。欧洲航天局的微量气体轨道器于2016年发射，用于搜寻大气中的痕量成分，如今平均每天从地表中继传回的数据量已超过网络中的其他任何航天器。阿联酋的“希望号”探测器于2020年7月发射，2021年2月进入轨道，是该国首个深空探测任务，主要研究大气与天气。中国的天问一号轨道器于同月进入火星轨道，搭载祝融号火星车登陆地表，之后又从一条狭长的极地椭圆轨道上对火星进行观测。印度的火星探测器“曼加里安号”于2013年发射，是印度首次执行的行星际探测任务。这些航天器各自携带的仪器与美国轨道器形成互补，使人们能够在多年之内拼合出大气、地表和地下的完整图景。\n\n地表探测设备依赖轨道器进行通信。着陆器和火星车的天线较小、供电有限，因此直接与地球交换的数据量十分有限。以好奇号为例，它可以直接通信，速率最高约为32 kbit/s，但其大部分科学数据都是经由火星勘测轨道器和奥德赛号传回的。承担这一数据转发任务的轨道器共同构成了火星中继网络，目前由五颗航天器组成。中继链路会根据每颗轨道器经过头顶的时间进行安排，数据则以突发的方式先存储再转发。多颗轨道器为此配备了Electra超高频收发机。2021年毅力号着陆期间，该网络证明了其价值：火星勘测轨道器接收了进入、下降和着陆阶段的数据，并几乎立即将其转发回地球。中继机队的老化已引起担忧，NASA提出的专用通信航天器“下一代火星轨道器”等方案也已被搁置。\n\n轨道成像和雷达探测对于规划地表任务同样至关重要。高分辨率图像使工程师能够在着陆器开始下降之前，评估候选着陆点的坡度、岩石密度和潜在危险。对同一区域的反复过境观测，可以揭示季节性霜冻的消长、尘埃的迁移以及坡面的演变等变化。轨道器数据还用于监测全球性沙尘暴，这类风暴会改变大气加热方式，并减少太阳能火星车可获得的电力，因此任务控制人员可以据此提前做出安排。从这个意义上说，轨道器机队既是通信网络，也是一座观测台，为每一次地表任务提供支持。" }, { "heading": "样本返回与美欧计划的现状", "text": "美国航天局与欧洲航天局合作的火星样本返回（MSR）计划由三个相互衔接的任务组成。2022年9月获批的方案依赖三部分：作为样本采集者的毅力号火星车、携带上升器和直升机的取回着陆器，以及欧洲航天局的地球返回轨道器。每个阶段都依赖前一阶段，因此链条中任何一处的延误或超支，都会拖累整个计划。成本是最核心的问题。该计划的费用不断攀升，到2024年已达110亿美元，引发了国会多次以取消相威胁。计划最终只以缩减后的形式存续下来，而美国航天局则借此重新规划方案。2024年和2025年，美国航天局评估了多种替代架构，包括依赖商业着陆器或采用更简单任务方案的构想。尽管美国航天局向业界征求意见，也有多家公司公开提出自己的方案，但它仍未能拿出一个可行的计划。\n\n白宫在2025年5月发布的2026财年预算提案提出结束该计划的美国部分。特朗普政府的提案计划取消美国一侧的火星样本返回工作。国会否决了提案中对美国航天局整体预算的大部分削减，批准该机构约244亿美元的经费，但接受了以现有形式终止火星样本返回计划的决定。决定性的表决发生在众议院。2026年1月8日，众议院通过了商务、司法和科学拨款法案，即一项\"小型综合拨款法案\"。2026财年拨款法案于2026年1月23日签署生效。\n\n国会并未彻底取消相关技术工作。2026年法案没有为火星样本返回拨款，而是设立了一项\"火星未来任务\"专项经费，拨款1.1亿美元。这一数额远低于众议院拨款法案中提议的3亿美元。该专项经费旨在延续一些关键技术的发展，例如适用于稀薄火星大气的进入、下降与着陆系统。然而，这些能力恰恰是未来任何取回任务最需要的，批评者认为这笔资金远远不够。四名参议员在致拨款委员会的一封信中要求，在2027财年法案中，该专项经费至少应拨款4亿美元。2026年6月，火星探测计划分析小组的一份备忘录还警告，科学理事会被要求在现有\"火星未来任务\"预算线（约1.1亿美元）之内，承担一项拟议中的核动力火星任务的成本。\n\n欧洲航天局的立场同样受到这一拨款决定的影响。地球返回轨道器是欧洲航天局的主要贡献，欧洲航天局于2020年10月与空客防务与航天公司签订了一份价值4.91亿欧元的合同，由后者负责研制并交付该轨道器。2026年3月，欧洲航天局在第345次理事会会议后宣布，成员国正式提议取消地球返回轨道器项目。欧洲航天局人类与机器人探索总监随后表示，成员国已要求取消该任务，该机构已开始与主承包商空客防务与航天公司商谈如何管理任务的剩余工作，并复用其中的部分组件。在此决定之前，欧洲航天局曾探索过一个成本更低的替代方案：将轨道器改造为一项专属的欧洲探索任务，命名为ZefERO。该任务计划于2032年发射，用于研究火星风场并开展地质勘查，同时兼作通信中继。\n\n样本本身仍留在火星上。毅力号钻取的样本管仍放置在火星表面，其中十管放在\"三叉\"（Three Forks）存放点，其余的仍由火星车携带。目前没有任何取回这些样本的经费。也没有已获授权的着陆器、火星上升火箭或地球返回航天器计划去收集它们。火星车仍在杰泽罗陨石坑继续工作。立法者并未下令放弃这些样本，因此之后的国会仍可能为另一种架构提供资金。这些样本的意义重大：在过去两次行星科学十年规划报告中，样本返回一直被列为首要优先事项。中国计划在2020年代后期发射的天问三号任务旨在带回样本，有可能成为首个完成火星样本返回的任务。" }, { "heading": "即将执行的机器人任务", "text": "最近的一项任务是日本的火星卫星探测计划（MMX，Martian Moons eXploration）。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）已将发射时间定为日本标准时间2026年10月20日04:41，使用种子岛发射场的H3火箭发射，备用发射日期可延至11月7日。探测器设计为经过约一年的巡航后抵达火卫一（Phobos），进入其准卫星轨道，采集样品后返回地球。目标采样量至少为10克；探测器还将观测火卫二（Deimos），并监测火星气候。返回地球的时间计划在2031年前后。迄今为止，还没有任何航天器从火星系带回过物质，MMX若成功，将是首次。该任务由JAXA主导，NASA、法国国家空间研究中心（CNES）、德国宇航中心（DLR）和欧洲航天局（ESA）参与其中。其科学目的是检验这两颗卫星究竟是被捕获的小行星，还是大型撞击形成的碎片。该项目已经推迟：最初的目标是2024年，后来因H3火箭的问题再次延期。\n\n中国的天问三号\n\n中国的天问三号是规划中雄心最大的采样返回任务。中国国家航天局于2026年4月公布了该计划，目标是2028年前后发射、2031年前后返回样品。任务需要两次长征五号火箭发射：一次搭载着陆器和上升器，另一次搭载轨道器和地球返回舱。计划的发射窗口为2028年12月至2029年1月。样品将通过三种方式采集：在地表多个点位取样、在固定地点钻探取样，以及由飞行中的采样装置完成采样。钻探取样计划采集至少500克地表物质。若任务成功，天问三号将实现人类首次火星采样返回。多年来，计划时间在2028年至2030年之间反复调整。由于火星发射窗口大约每26个月才开启一次，错过一个窗口就会使任务推迟两年以上。\n\nExoMars 罗莎琳·富兰克林号\n\n欧洲的火星车“罗莎琳·富兰克林号”是ExoMars计划的第二次任务，因地缘政治因素而推迟。欧洲航天局于2022年3月暂停了原定的ExoMars 2022发射，NASA则于2023年3月重新加入该项目。现行计划是2028年10月发射，并于2030年11月底在奥克西亚平原（Oxia Planum）着陆。选择这一抵达时间是为了避开火星的全球性沙尘暴季节。火星车设计可钻探至约2米深，检测土壤和次表层物质。其搭载的质谱仪——火星有机分子分析仪（Mars Organic Molecule Analyser）——旨在搜寻土壤中的有机化合物。NASA将采购一枚美国商业火箭用于发射，并为着陆所用的推进系统提供部分组件，以及加热器装置。\n\n其他构想\n\n还有若干项目仍处于较早阶段。俄罗斯航天局计划在2030年代发射“火星-土壤号”（Mars-Grunt）。国际火星冰层测绘（International Mars Ice Mapper）、印度的着陆器和火星车设计，以及NASA提出的轨道器、直升机和核动力航天器等构想，目前仍属于提案，而非获得资金支持的飞行计划，因此其实施时间尚不确定。" }, { "heading": "人类探索：挑战与设想", "text": "载人火星任务面临的最大障碍是旅行时间。使用传统化学推进和低能量轨道时，航天器通常需要六到九个月才能抵达火星，因此包括在火星表面停留在内的往返任务可能持续两到三年。2025年，一位加州大学圣巴巴拉分校物理学家的研究认为，星舰级飞行器可以在约90至104天内抵达火星，但这只是一种设想中的轨道，尚未得到验证。更短的航程之所以有吸引力，是因为深空中乘员面临的生理和辐射风险会随时间增加。\n\n辐射是其中最严重的风险。火星没有全球性磁场，大气也极其稀薄，因此既无法偏转带电粒子，也几乎不能吸收到达地表的宇宙射线。银河宇宙射线在整个巡航过程中持续存在，而太阳高能粒子事件则可能在短时间内造成危险剂量。研究人员利用好奇号火星车的辐射探测器，估算了美国国家航空航天局（NASA）一份模板任务的辐射剂量，该模板假设航行360天、在火星表面停留500天；结果约为1希沃特，大约是国际空间站六个月驻留剂量的十倍。NASA规定的职业辐射暴露上限约为600毫希沃特。一些研究人员认为，只有核推进才能使任务保持在这一限值之内，但较新的轨道研究对这一观点提出了质疑。\n\n火星的环境也使着陆和地表作业变得更加复杂。稀薄的大气提供的阻力太小，仅靠降落伞无法减缓重型载荷的速度，因此进入、下降与着陆系统必须大幅放大，远超迄今为止实际飞行过的规模。每次载人着陆都需要一座能够屏蔽辐射、保持增压的栖息地。火星表面约0.38倍地球重力的影响也是一个未知数，因为长期处于这种重力环境对人体的影响尚缺乏充分记录。\n\n人体健康是第二个主要关切领域。在承重骨骼中，微重力会导致矿物质密度每月下降约1%至1.5%，返回后骨骼可能无法完全恢复。2020年一项关于火星轨道的模型预测，在较长的任务中，大多数宇航员返回后会出现骨量减少，而在最长的合会式轨道上，每个乘组都会出现这种情况。肌肉萎缩、心血管功能衰退、孤立与密闭环境又带来了更多风险。通信单程延迟最长可达约20分钟，这意味着乘员必须在很大程度上自主诊断和处理医疗紧急情况，并修复技术故障。因此，任务规划者将舱内医疗能力和自主决策支持视为必不可少的条件，而非可有可无的选项。\n\n载人任务的时间表已多次修订。政府计划不断调整优先事项，而私营企业的目标变动更为频繁。太空探索技术公司（SpaceX）的领导人埃隆·马斯克有多次修改火星计划日期的记录：他在2016年曾预测2025年抵达火星，后来改为2024年发射无人任务，公司计划随后又调整为2026年开展无人飞行，之后再进行载人任务。2026年2月，据报道，SpaceX曾告知投资者，公司将优先建设月球城市，并将火星计划推迟约五至七年，不过各方报道对首次无人任务推迟的具体时长说法并不一致。由于发射窗口大约每26个月才出现一次，错过一个窗口就可能使计划拖延数年，因此载人飞行的具体日期存在很大不确定性。" }, { "heading": "资源利用与定居工程", "text": "任何长期的人类火星驻留都将依赖原位资源利用（ISRU），即利用当地材料制造消耗品，而不是从地球发射。讨论最多的两种原料是大气和地下水。水可以通过电解分解为氢气和氧气，空气中的二氧化碳则可提供碳。有一种提议的路线是将二氧化碳与水结合，生成甲烷和氧气，这一组合可以让返回飞行器在地表完成加注。除了作为液态水之外，水还可以通过反应 CO2 + 2 H2O → CH4 + 2 O2 用于生产甲烷推进剂。由于大气极其稀薄，近地表冰的可得性是这些计划的核心，因此对早期任务而言，极地冰的用处不如赤道或中纬度地区的沉积物。\n\n这一方法最明确的验证来自毅力号火星车上的 MOXIE 仪器。它采用一种工作温度约为800 °C的高温固体氧化物电解池，因此设备必须由耐热部件制成。MOXIE 的原理是将氧原子从二氧化碳分子中分离出来，副产物一氧化碳则排放到火星大气中。首次运行于2021年4月进行。自毅力号2021年登陆火星以来，MOXIE 共产生了122克氧气。在效率最高时，MOXIE 每小时可产生12克氧气，是 NASA 为该仪器设定的最初目标的两倍，纯度达到98%或更高。该仪器在2023年8月完成第十六次运行后结束工作。按载人任务的标准，它的产量微乎其微，但它证明了这一化学过程在火星条件下是可行的。实际目标是扩大规模：一项分析认为，比 MOXIE 大数百倍的 MOXIE 类系统，产氧量可达每小时2–3千克（MOXIE 为每小时6–10克），足以为载人火星上升飞行器提供氧化剂。\n\n居住舱设计必须同时应对多种环境限制。地表气压极低，尘埃具有磨蚀性，温度昼夜变化剧烈，土壤中的高氯酸盐是一种化学危害，必须防止其进入生活空间。辐射是最棘手的问题。由于大气稀薄且火星没有全球性磁场，几乎无法提供防护，因此宇航员暴露于电离辐射之中，被普遍认为是火星长期居住面临的最大威胁。富氢材料对银河宇宙射线的防护效果最好。一项研究发现，富氢材料（即水冰）对银河宇宙射线的响应具有可预测性，因此是抵御宇宙射线的最佳防护手段。按单位质量计算，风化层的防护效果较差。NASA 的一项分析认为，除非利用数百 g/cm² 的风化层，否则原位屏蔽策略也几乎无济于事。这种策略很可能需要大规模挖掘，因此不太可能被采用。出于这一原因，许多设计倾向于采用掩埋方式。一项模拟估计，十米深的覆土层即可完全消除辐射的影响。另有一些方案提出，将风化层与水的混合物用作地表建筑材料。\n\n供电是最后一项限制。太阳能电池阵是最简单的选择，但尘埃沉积在板面上会降低其输出，而且在更高纬度地区，输出还会进一步下降。火星的夜晚还需要储能，通常采用电池或可再生的燃料电池。昼夜交替意味着供电系统必须按最不利情况而非平均情况设计。放射性同位素发电机利用同位素衰变释放的热量发电，不受天气和季节影响，输出稳定，但功率较小。核裂变反应堆可以提供大得多的电力，并且不受尘埃和纬度的影响。在这些方案之间如何选择，取决于定居点的规模，以及任务对沙尘暴和漫长黑夜的承受能力。这一问题在工程研究中仍未有定论。" }, { "heading": "行星防护与治理", "text": "行星防护是为防止生物污染双向扩散而采取的各种做法：一是地球生物抵达其他天体（前向污染），二是可能存在的地外生物抵达地球（后向污染）。其法律基础是《外层空间条约》。截至2026年初，该条约有118个缔约国，自1967年通过以来一直是太空法的基石。\n\n该条约的第九条规定了核心义务。第九条要求避免前向和后向污染，并规定缔约国“应采取适当措施”实现这一目标。法律评论者通常认为，该条款包含三项义务：适当顾及其他国家的利益、避免有害污染，以及在可能造成有害干扰的活动开展前进行磋商。该条款只明确要求在后向污染方面采取积极的措施，而未对前向污染作出同样要求，原因可能是当时人们认为后向污染风险更大。该条约还规定政府要对私人活动负责。根据第六条，《外层空间条约》的缔约国对本国境内的所有太空活动负责，无论是政府活动还是非政府活动。\n\n由于该条约比较笼统，具体的技术规则由空间研究委员会（COSPAR）制定。其下设的行星防护小组为遵守1967年《外层空间条约》提供指导。COSPAR的建议在国际法上没有约束力，但已成为履行第九条的通用标准。目前的框架形成于1984年，当时COSPAR通过了一项以目标任务类别划分为核心的新政策，此后这一做法一直是行星防护政策的框架。\n\n在该框架下，大多数火星探测器属于以下两类之一。轨道器和飞越探测器被列为第三类，运营方必须证明污染风险有限，通常要通过计算撞击概率来证明。着陆器和巡视器属于第四类。在第四类中，限制最为严格的是航天器表面的生物负载量，其总芽孢数和每平方米平均芽孢数都有上限。2002年，COSPAR与国际天文学联合会在弗吉尼亚州威廉斯堡召开研讨会，之后又作出细分，设立了新的任务类别第四c类，专门针对进入火星特殊区域的航天器。COSPAR将特殊区域定义为地球生物可能繁殖的区域，或火星生命可能存在的区域。将物质带回地球的任务构成另一类：返回地外样品的任务被划入第五类，这是专为入境任务设立的行星防护类别。\n\n样品返回任务和载人任务带来的遏制问题最为严峻。如果火星存在生命，返回的物质和人员暴露就需要严格的遏制规程。任何载人着陆还会把与人体相关的微生物带入科学家希望研究的环境。这些要求成本高昂，这也是它们经常出现在关于未来任务可行性的争论中的原因之一。\n\n有几个治理问题仍未解决。第一是私营主体的问题。商业活动日益增多，但对于私营主体是否应当与航天机构承担同等标准，目前似乎没有达成共识，因为企业本身可能并不从事会受到污染影响的科学研究。一些学者认为，私人任务的增加意味着需要制定具体指南来保护科学工作免受前向污染，而且这些指南不必与COSPAR的政策完全一致。\n\n第二是火星本身的利用问题。条约禁止国家对天体进行占有，但这一原则如何适用于资源开采、固定地表站点，或保护区的边界，目前尚无定论。关于这些活动应由国际机制监管、由国内法监管，还是由运营方之间的自愿协议约束，以及现有的COSPAR类别在多大程度上适用于这些活动，政策讨论仍在继续。" }, { "heading": "地球化改造与长期定居之争", "text": "地球化改造是指假想中通过工程手段改变行星环境，使其能够支持类地条件。对火星而言，这一过程首先要从升温开始。多数方案的起点是把温度提高到足够水平，使两极冰盖和风化层中的冷冻二氧化碳与水冰升华进入大气。每次释放都会增加气压并带来温暖，进而释放出更多气体，形成反馈循环。有人提出的启动方法包括在两极上方放置巨型轨道反射镜、把工业温室气体排放到大气中，以及使冰面变暗以吸收更多阳光。评估过这些设想的作者大多认为，它们在物理上是可以想象的，但需要巨大的能量和基础设施。\n\n最严重的科学质疑涉及可用物质的数量。火星能够获取的二氧化碳远少于早期乐观情景的假设，近期研究表明，地表和极地储库可能不足以形成稠密、类似地球的大气。2018年的一项研究得出结论：即便这些气体存在，要将其释放出来也需要处理星球表面的很大一部分，这超出了当今技术的能力。即便在最理想的情况下，火星的重力也只有地球的约38%，只能保持约0.38巴的稀薄大气，因此经过改造的火星仍会比地球寒冷得多、稀薄得多。一些方案建议从太阳系其他地方的冰质天体输入水、二氧化碳和氮等挥发性物质，但搬运如此大质量物质的成本和工程要求被认为极其高昂。\n\n第二个障碍是气体逃逸到太空。火星没有像地球那样能够保护星球的全球性磁场，因此太阳风会直接与高层大气相互作用，并剥离其中的粒子。航天器已经探测到这种原子逃逸现象，目前二氧化碳的流失速率估计仅约为每十亿年1毫巴。按人类的时间尺度看，这一速率很慢，但若要在稳定升温所需的数千年里维持厚重的大气，它仍足以使任何尝试落空。没有磁场，火星表面还暴露在强烈的太阳辐射和宇宙辐射之下，而稀薄的大气几乎起不到防护作用。有一项提案针对这一问题，建议在太阳—火星L1点放置一个巨大的人造磁体，在太阳风抵达火星之前将其偏转。格林及其同事的模拟显示，约1万至2万高斯的磁场可能就已足够，而当前技术在该位置只能产生约2000高斯，因此这一设想远超现有能力。\n\n关于是否应当推进地球化改造的争论，反映了人们对太空探索目的的更广泛分歧。支持者认为，一个更温暖、更湿润、最终可以呼吸的火星可以成为人类长期扩张的目的地，而且火星丰富的冰和挥发性物质储量使其有可能在数百年甚至更长时间里逐步完成改造。批评者则质疑其技术可行性以及估算所依据的假设，并认为这一过程实质上是不可逆的。伦理方面的反对意见主要集中在火星可能存在微生物生命这一点上：在人类理解之前，大规模改造可能毁掉任何本土生物圈。这些担忧还与微生物生命以及一个更广泛的问题相关，即一颗行星的自然状态本身是否具有价值。\n\n这些担忧影响了关于保持火星现状的讨论，这一立场与当前的行星保护政策密切相关。按照这一观点，对火星环境的科学研究，包括寻找过去或现在生命迹象的工作，应优先于大规模工程建设，至少在对生物和地质记录有更充分的了解之前应如此。持反对意见者则回应说，保护潜在的生命不应完全排除未来的定居，而且关于封闭式栖息地、就地资源利用和大气化学的研究可以与科学保护并行推进。由于迄今尚无任何地球化改造方法经过超出小规模实验室或模型研究的检验，这一问题在很大程度上仍停留在理论层面，其解决很可能取决于气候建模、工程技术和国际治理方面的进展。" }, { "heading": "火星在文化、文学与电影中的形象", "text": "在望远镜揭示其表面之前很久，火星就已经通过神话被人们理解。古希腊作家把这颗带红色的亮点与战神阿瑞斯联系起来，罗马人则以自己的战神为这颗行星命名。巴比伦天文学家将它与战争和瘟疫之神涅尔伽勒相连，古埃及的文献则称其为“Her Desher”，意为“红色者”。在中国，它被称为“火星”（huoxing），在梵语中则叫作 Mangala。中世纪占星术将火星与白羊座和天蝎座相关联，于是这颗行星的颜色和亮度，在艺术与历法中都成了血、火与暴力的象征。这些古老的联想塑造了火星的命名方式、描绘方式和人们对它的想象，也奠定了后世作家所继承的情感基调。\n\n现代人把火星视为其他文明的栖息地，这一想象很大程度上源于望远镜时代。H. G. 威尔斯的小说《世界大战》于1897年连载，1898年出版成书，书中描绘了一个在逐渐冷却、干涸的世界上生活的智慧种族火星人，他们入侵了地球。威尔斯借鉴了乔瓦尼·斯基亚帕雷利和珀西瓦尔·洛厄尔推广开来的“火星运河”猜想，而他笔下的入侵者是一个为了寻找资源而来的垂死物种。这个故事后来因奥逊·威尔斯1938年的广播改编版而广为人知，不过关于该广播引发恐慌的种种说法仍有争议。埃德加·赖斯·巴勒斯则在《火星公主》（1912）中另辟蹊径，这是他“巴索姆”系列故事的第一部。在这些故事中，火星是一颗古老、干涸的星球，有运河、有城墙环绕的城市，还有相互敌对的民族，这种冒险式的叙事模式帮助确立了火星作为廉价杂志小说和太空歌剧背景的地位。\n\n二十世纪中叶的作家则借火星来反思地球上的人类事务。雷·布拉德伯里的《火星编年史》（1950）是一部由相互关联的短篇组成的作品集，讲述地球殖民者抵达一颗原住民文明已经消失的星球的故事。评论者常将其解读为对殖民扩张、流离失所和核焦虑的寓言。金·斯坦利·罗宾逊的三部曲《红色火星》（1992）、《绿色火星》（1993）和《蓝色火星》（1996）则采取了更系统的方式。它跟随第一批定居者，讲述了数十年间围绕这颗星球未来展开的政治冲突，并把地球改造（terraforming）、经济与伦理视为需要协商的问题，而不仅仅是工程问题。这部三部曲至今仍是对本词条其他部分讨论的地球改造争议最为详尽的文学处理之一。\n\n影视作品的题材同样广泛，既有奇观式的表现，也有接近纪录片的写实风格。早期的类型片如《全面回忆》（1990）和《火星人来袭》（1996）把这颗行星当作动作与讽刺的背景。相比之下，安迪·威尔的小说《火星救援》（2011）及其2015年的电影改编，围绕合理的工程学和轨道力学构建了一个生存故事，因其技术细节的严谨而广受好评。电视作品的类型同样多样：美国国家地理频道的系列节目《火星》（2016）将戏剧化场景与关于载人任务的专家访谈结合在一起；架空历史剧集《For All Mankind》（Apple TV+）则想象了一场太空竞赛，其中火星任务是各国竞相追求的目标。这类作品常常借用真实任务的影像和研究发现，因此纪录片与虚构之间的界线被刻意模糊了。\n\n流行文化也产生了切实的影响。小说和影视塑造了一种期待：火星是可居住的，甚至是有人居住的。1965年“水手4号”的首次飞掠则打破了这一期待，它揭示出一个布满陨石坑、看似毫无生命的表面。尽管如此，公众的热情仍在持续支撑着政府拨款、科学普及，以及航天器与探测车的命名。“拓荒者”（Sojourner）、“勇气号”（Spirit）、“机遇号”（Opportunity）、“好奇号”（Curiosity）和“毅力号”（Perseverance）等任务名称，其文化内涵都是经过刻意挑选的，以便引发公众的认同感。小说还提出了任务规划者必须回答的问题，包括谁有权在火星上定居、应如何保护可能存在的本土生命，以及人类的存在将对这颗星球的未来意味着什么。这些问题将大众想象与规范真实探索活动的伦理学和法律框架联系在一起。" } ], "links": [ "solar-system", "carbon-dioxide", "earth", "atmosphere-of-earth", "climate-change", "sun", "magnetic-field", "plate-tectonics", "gravity", "groundwater", "erosion", "remote-sensing", "nitrogen", "oxygen", "pressure", "solar-cell", "battery", "climate-model", "paleoclimatology", "microorganism", "molecule", "chemical-reaction", "organic-chemistry", "chemistry", "ancient-greece", "telescope", "nuclear-power", "spectroscopy", "robotics", "telecommunications", "electrolysis", "nuclear-fission", "greenhouse-gas", "electromagnetic-radiation", "ethics", "law" ], "sources": [ { "title": "Orbit of Mars - 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