<失之毫釐差之千里的火星探險> & <地球很危險,你還是回火星去吧>

<失之毫釐差之千里的火星探險>

火星是天空中第三亮的行星,由於其深紅色與善變,人們對其充滿各種天馬行空的想像。隨著現代望遠鏡以及火箭技術的發展,我們不但能夠看到愈來愈清晰的火星,甚至得以如同親訪般探測火星。本講次介紹火星觀測的技術、成果、以及未來展望。

講師:陳英同|中央研究院天文及天文物理研究所支援科學家

比鄰地球的火星,大小只有地球的 15% ,重量只有地球的 10% ,大氣中有 95% 是二氧化碳,不太適合人類居住;但由於其表面氣溫介於 35 度到零下 143 度之間,雖然偏冷但勉強可適應,因此相較於炙熱的金星,一直是人類有在考慮的太空移民地點。

在望遠鏡發明之前,火星就是夜空中的一個亮點,而由於火星無論是位置及亮度上都常變不定,「熒惑守心」的占星現象造就了不少傳說。進入望遠鏡觀測時代之後,因為舊時代望遠鏡的解析度不佳,所觀測到的一些貌似運河的圖樣型態,令火星人假說甚囂塵上了好一陣子。隨著電腦與衛星這兩大利器的發明,火星觀測得以針對地球自轉、行星公轉、空氣擾動等等因素進行修正,底片與數位相機也可拍下解析度更高的影像,火星的樣貌才真正逐漸揭露於世人眼前。

火星的太空觀測始於 1964 年,水手四號成功拍到二十餘張飛越火星的照片,顯示火星上一片死寂,像月球一樣充滿隕石坑。後繼的水手系列任務陸陸續續拍到一些照片,到 2014 年共有 48 項火星計劃,其中三分之二是失敗的,但是成功的任務有拍到一些類似人臉、人造物、或是符合數學比例的地貌。隨著照片解析度逐漸提高,顯示這些圖像應該仍是自然形成的,也陸續拍到了兩極冰冠、沙丘、以及沙塵暴等等地貌。

火星任務的難度,在於不但要打造能夠應付火星日夜溫差,且能承受著陸衝擊力的堅固載具,同時亦要在燃料限制之下控制載具重量,並且精準地估算出在高速航行之下,僅僅只有數分鐘的降落窗口。火箭科學家為此設計出專供火星登陸車使用的降落傘、安全氣囊、飛天起重機等等著陸方式,雖然失敗率仍然偏高,不過諸如機會號、精神號、好奇號等等著陸成功的探測車,皆得以維持運作好幾年,遠遠超過當初設計的預期使用壽命,為人類傳回了寶貴的火星資料。

隨著民營企業火箭發射成本愈來愈低廉,以及通訊工程的長足發展,今後的火星探測可望進入新紀元。 NASA 、 ESA 以及阿聯酋都在 2020 年啟動了新的火星探測計畫,而日本、俄羅斯、印度與中國等國,也都在著手籌備新的火星任務,競相加入火星探險的行列。

 

<地球很危險,你還是回火星去吧>

火星這顆以戰神為名的紅色行星,早在 1970 年代美蘇進行太空競賽時,就已經是另一個戰場。 SpaceX 創辦人馬斯克更宣稱希望在 2050 年之前,能將 100 萬人送上火星。本講次介紹火星探索任務的歷史,並從科學與工程的觀點,探討火星移民的挑戰。

講師:陳炳志|成功大學物理學系副教授

從地球上用望遠鏡觀察,火星看起來是一顆偏紅,極冠為白色,沙塵暴會造成季節性變化斑塊的行星。它雖然不是距離地球最接近的行星,但是因為正好位於太陽適居帶的邊緣,具有可讓液態水存在的條件,因此人們對於火星的興趣,始終遠大於最接近地球的金星。火星跟地球一樣有個略為傾斜的自轉軸,因此會有四季變化,自轉一周的時間也與地球相近,為 24 小時 40 分;重力跟太陽光照皆為地球的 40% 左右,雖然低重力可能會造成人類骨質疏鬆、心肌變弱等等問題,光照不足則可能會使得植物不易存活,不過或許還可以透過工程手法加以改善。以適居條件而言,火星與地球差異最大之處在於大氣,其大氣壓不到地球上的 1% ,組成成分卻有 95% 是二氧化碳,與地球大相徑庭的缺氧環境,是日後若要移居火星,必須克服的一大課題。

無論是發射觀測衛星、登陸車、或是日後移民火星,都必須利用火星、地球與太陽排成一線,火星較為接近地球的「火星衝」。火星衝大約每隔 779 日發生一次,這些都是觀測與拜訪火星的大好時機。然而登陸火星的失敗率不低,主因在於必須要控制降落速度,然而火星與地球訊號往返需要六分鐘,不可能進行及時控制,因此降落指令都必須事先計算編程,而後聽天由命碰運氣。

歷代的火星探測任務各有其發現。 1976 年登陸的維京號,檢測氣體代謝、放射性碳標記、熱解釋放、以及質譜儀分析,發現火星土壤含有過量的過氧化物、酸度與鹽度,對維持生命不利。 1997 年的拓荒者號與旅居者號,確認火星過去曾具有水循環。 2006 年的火星勘測軌道衛星,可追蹤火星大氣水和塵埃的變化,並藉由研究地表礦物與分層,了解火星過去的氣候變化。 2008 年的鳳凰號,在火星極區的土壤中發現碳酸鈣,證實過去火星曾經有液態水存在。

人類若想要移民火星,最大的問題在於火星大氣稀薄,磁場又相當薄弱,在欠缺大氣層與磁場的保護下,火星表面的輻射劑量是地球表面的 30 倍,兼之太陽風會吹走水分子,使得液態水在火星表面幾乎無法存在,過高的鹽度不利於維生。由於太陽風導致的大氣流失,是火星氣候變遷的關鍵, NASA 提出一個天馬行空的概念解決方案,在火星與太陽之間設立一道人造磁盾,為火星阻隔太陽風離子,以防止火星大氣與之產生互動而散逸。至於如何把人們送上火星,相較之下倒沒有那麼困難,馬斯克已在著手規劃建造可重複使用的大量運載火箭,打算利用每隔 26 個月的火星衝,將 100 萬人分批送往火星。不過雖然有「地球很危險,你還是回火星去吧」這樣一句慣用語,不過實際情況是火星比地球危險多了,在我們有能力把火星改造成真正適居的地方之前,還是先留在地球上吧!

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