【探索18-4】離開地球之後,你會在火星嗎?

好奇號火星探測器模擬圖。用漫遊者手臂末端的工具檢查火星上的一塊岩石。Credit: NASA

講師|臺灣師範大學地球科學系助理教授 曾瑋玲
彙整撰文|鄭兆庭

十九世紀以來,火星人來襲或人類移居火星的情節就不斷出現在小說、廣播等大眾文化之中。近年來,隨著賣座的好萊塢電影《絕地救援》(The Martian, 2015)以及各國的太空科技研究機構、公司宣示2030年成功登陸火星的決心,對於火星的無限想像再次深植我們這個世代的人類。這回,讓曾瑋玲老師暢談當今火星研究的成果,並剖析火星登陸計劃還面臨什麼樣的挑戰。

●類地行星比一比

依目前國際天文學界的共識,太陽系共有八大行星。其中,比較靠近太陽的四顆是水星、金星、地球、火星,皆有堅硬的固體表面,因此稱為「類地行星」(Terrestrial planet)。外圍的四顆大型行星,則是以氣體為主要構成成分,以木星為代表,通稱「類木行星」(Jovian planet)。雖然太陽系的類地行星都「類似」於地球以岩石構造為主,然而此四顆行星的相似程度也僅僅止於此程度。每一顆類地行星都有其獨特的環境與特徵,曾老師利用圖表比較類地行星之間的物理性、軌道、大氣等基本資料,帶領聽眾認識地球的鄰居。

在大小的層次上,金星可以說是地球的手足:水星(半徑約2440公里)稍稍大於月球;金星(半徑約6050公里)則略小於地球(半徑約6370公里),其質量也接近地球質量;而火星則是以半徑3390公里,排名第三位。

不過,金星的生存環境可是險惡無比。利用紫外線波段觀測金星的大氣結構,天文學家得知金星有著厚實的大氣層,其中富含著二氧化碳(約佔95%)及硫化物。在金星地表所感受的大氣壓力,大約是地球表面的90倍大,相當於在地球上潛至890公尺的深海之中所承受的壓力。而大量的二氧化碳造成的失控溫室效應,也使得金星表面溫度達到攝氏450度左右的極高溫,再加上硫化物產生的硫酸毒物密佈,金星實在是人類難以踏足的領域。

水星的環境則與金星相反,由於水星十分靠近太陽,氣體受太陽風吹拂而散失。缺少大氣層保護的水星,地表上佈滿受隕石撞擊而生的坑洞,也因為缺少大氣的保溫作用,向陽處和背陽處有著幾百度的極大溫差。

從軌道數據來說,反而是火星更像我們地球的手足:火星的公轉週期大約是1.88個地球年,自轉週期約為24.6小時,自轉軸傾角為25.2度;而金星的公轉週期大約是0.61個地球年,自轉週期則是-243天(負號表示其自轉方向與其他行星相反),自轉軸傾角是177度。金星與眾不同的自轉模式,推測是因為金星在太陽系形成初期曾遭受其他天體撞擊所造成。由這些數據可知,相較於金星,火星有著近似於地球的一天長度和季節性變化。那實地走訪火星的話,我們會遭遇什麼樣的環境呢?

●火星上有生命嗎?

藉由一張火星的全球影像,可以看出火星地表的幾大特徵:火星的兩極覆蓋著極冠,其他區域則有著隕石坑及峽谷地形。十九世紀末時,美國人羅威爾(Lowell, Percival)透過望遠鏡觀測火星表面看到這些峽谷後,出版著作說明他認為這些構造是「非自然」的運河及灌溉渠道。這樣的說法掀起一股至今不墜的「火星人」科幻熱潮,在小說、廣播、影像中以「小綠人」的形象為世人所熟悉。

1970年代起,人類陸續向火星發射了軌道觀測衛星和登陸探測器,雖然沒有發現小綠人的存在,但也回傳了不少曾造成舉世驚動的影像。例如,1976年所拍攝的「人臉地形」還有1996年於火星上的隕石中發現疑似細菌的構造。前者於2001年以更高解析度的相機再拍攝後,已不像是人臉了,只能說人臉是低解析度、光影的巧合。後者則在學界產生極大的爭議,至今沒有定論。

●火星的地表與大氣

除了發現疑似火星生命以外,這些探測器也對火星的地形、地質、大氣進行了探索和採樣。火星主要的地形是峽谷,其中最大的峽谷是水手峽谷(Mariner Valley),長約略等於美國本土的長度(約3800公里),寬約60公里。奧林帕斯山(Olympus Mons)則是太陽系中的最高峰,約有26公里高。能產生如此高的火山,主要是因為火星核心冷卻後缺乏板塊運動,岩漿庫不斷在地表上同一位置噴發而成。核心冷卻也顯示火星內部是凝固的狀態,沒有熔融狀的金屬因此沒有全球性磁場。另外,多由固態二氧化碳組成的極冠以及沙塵暴(Dust Devils),也是火星上重要的地表景觀。

由河谷地形、沉積岩構造、三角洲地形可以回溯火星地表及大氣的演變,天文學家推測在幾億年前,火星曾有液態水,而液態水存在的環境必定有一定的大氣壓力以及高溫、高濕度。新的挖掘證據顯示,火星上的水或許成了地底冰,然而卻混有大量的有毒金屬鹽類。現今的火星大氣層極為稀薄,95%為二氧化碳,氣壓僅有0.01大氣壓(atm)。由於大氣稀薄,造成火星上溫差大、風速低(因為壓力變化小)且長期受來自太陽及宇宙的高能射線照射,是個不適生存的環境。

●登陸火星的挑戰

為何人類已經成功登陸月球將近五十年了,登陸火星卻遲遲沒有進展呢?曾老師認為,登陸火星較登月計劃來得困難之處主要有兩點:(一)太空飛行時間長。前往火星需要至少半年的太空旅行(前往月球只需三天左右),這段期間的生理機能的衰退及心理上的影響對於太空人都是極大的挑戰;(二)載人登陸技術還不夠成熟。火星上的重力較月球大且存有少量大氣,這些因素使得登陸作業需要更完善的計劃和更困難的技術。過往登陸火星的無人探測器之中,僅有三分之一左右成功登陸,載人的登陸艇一定需要更高的安全設計才能出發。長遠看來,人類勢必會離開地球前往火星。但是在那之前,仍有許多研究、開發工作有待努力。

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本文整理自:106/11/18 由曾瑋玲老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「離開地球之後,你會在火星嗎?」演講內容。

 

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