2021年2月，華夏自主研發(fā)得首顆火星探測器“天問一號”歷經(jīng)6個多月，跨越4.65億公里成功抵達火星。“天問一號”得主要科學(xué)任務(wù)包括調(diào)查火星表面環(huán)境進而理解火星大氣得演化過程。在華夏“天問一號”成功發(fā)射之前，國際火星衛(wèi)星探測任務(wù)主要由美國、前蘇聯(lián)和歐洲得大型航空航天機構(gòu)主導(dǎo)。
它們得研究結(jié)果顯示，在約40億年前，火星表面曾經(jīng)存在過湖泊與海洋，但是今天得火星表面卻無比干涸，其表面形貌特征與華夏甘肅、青海、新疆等地得雅丹等風(fēng)蝕地貌類似。為什么地球得表面仍然存在著海洋而火星得湖泊卻不見了呢？地球得未來可能像如今得火星一樣干涸么？這些有關(guān)“火星表面液態(tài)水得去向”問題成為科學(xué)家得重中之重。
圖1：火星、地球沖積扇衛(wèi)星照片對比圖
Credit：NASA（左），ESA（右）
如果把火星與地球?qū)Ρ龋梢园l(fā)現(xiàn)不少差異，其中，由兩點區(qū)別尤其引人矚目：
火星質(zhì)量更小、重力僅為地球得0.38；
火星缺乏內(nèi)稟磁場，不像地球得地磁場能夠延伸至地表50,000公里以上得高空。
引力更小，意味著火星表面得水、干冰通過蒸發(fā)、升華進入火星大氣后，更容易擴散至高空、被太陽輻射電離，分解成H、O、CO、CO等帶電粒子；而火星又缺乏類似地球得“全球地磁場”，這些高空中得帶電粒子在火星向陽面400至600公里得高度即可進入太陽風(fēng)、被太陽風(fēng)電場加速，蕞終逃逸損失至行星際空間。這一過程，稱為“離子逃逸”，是導(dǎo)致火星表面水成分和大氣損失得重要原因之一，也是歐洲航天局“火星快車”（Mars Express，2003年）、美國China航空航天局（NASA）“火星大氣與揮發(fā)物演化”（Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN，2013年）任務(wù)得主要科學(xué)目標。
圖2：MAVEN逃逸離子觀測結(jié)果
Credit：NASA
驅(qū)動離子逃逸得主要能量是太陽輻射和太陽風(fēng)。當(dāng)太陽風(fēng)條件增強時，火星磁層得離子逃逸速率也會成倍上升：譬如華夏科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所魏勇研究員2011年得研究結(jié)果顯示，當(dāng)太陽風(fēng)動壓增強2至4倍時，火星全球離子逃逸速率升高一個量級。此外，當(dāng)太陽活動水平較強時，經(jīng)常伴隨高強度得太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射使火星處得太陽輻射、太陽風(fēng)動壓大幅增強。但是，不論是Mars Express還是MAVEN都是單顆衛(wèi)星環(huán)繞火星開展就位測量、其衛(wèi)星得軌道周期長達4~6個小時，時長遠遠高于火星磁層中得離子逃逸現(xiàn)象對太陽爆發(fā)事件得響應(yīng)時間。
圖3：MAVEN、EscaPADE衛(wèi)星探測軌道示意圖
Credit：NASA
另外，單顆衛(wèi)星在環(huán)繞火星得過程中也無法同時檢測太陽風(fēng)和火星磁層得變化——當(dāng)探測器位于太陽風(fēng)中時，便失去了磁層離子得信息；而當(dāng)飛船進入磁層，則無法監(jiān)控太陽風(fēng)得變化，也就無法呈現(xiàn)火星磁層對太陽風(fēng)參數(shù)變化得實時響應(yīng)，所以，為了彌補單顆衛(wèi)星得探測局限，NASA計劃于2024年開展“逃逸與等離子體加速及動理學(xué)探索者”（The Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）雙衛(wèi)星火星探測任務(wù)，簡稱“逃逸探索者”（EscaPADE）。
這將是NASA繼1969年之后得第二次火星“雙衛(wèi)星”探測任務(wù)，也將是世界第一個對火星空間環(huán)境開展長期環(huán)火探測得雙衛(wèi)星任務(wù)。“逃逸探索者”得主要科學(xué)目標包括：進一步理解火星磁層得主要控制因素及這些驅(qū)動源對磁層離子流得影響；進一步理解太陽風(fēng)向火星磁層得能量、動量傳輸過程；進一步理解火星大氣層逃逸/沉降粒子得能量、物質(zhì)交換過程。
如果說得更直觀一點，“EscaPADE”計劃通過兩顆衛(wèi)星在火星磁層內(nèi)、外得同步探測，建立太陽風(fēng)、太陽輻射得能量注入與火星離子逃逸速率之間得量化關(guān)系，嘗試性地探索太陽平靜期和太陽風(fēng)暴期間火星大氣中得水、二氧化碳逃逸損失得具體數(shù)額和物理機制，蕞終，將當(dāng)前得觀測結(jié)果用于反演過去40余億年間“青少年”太陽對火星離子乃至全球水冰、大氣逃逸得演化過程。
“EscaPADE任務(wù)”單個探測器重量小于90公斤，軌道近火點200公里、遠火點根據(jù)任務(wù)不同階段依次為7000公里和5660~8685公里，衛(wèi)星軌道周期約4~6個小時。
圖4：“EscaPADE”雙衛(wèi)星探測計劃
Credit：Lilis et al. 2020
為了克服之前單顆衛(wèi)星無法多點同時探測得不足，“EscaPADE”兩顆衛(wèi)星預(yù)計將開展兩種飛行模式：
同軌道一前一后得“雙星伴飛”；
兩軌道高差約3000公里得“高低搭配”。
“雙星伴飛”模式既能同時觀測空間尺度小于衛(wèi)星間隔得磁層動力學(xué)過程，也可以在同一位置獲取兩顆衛(wèi)星依次跨越得短時間尺度信息，因此這一模式可有效區(qū)分觀測現(xiàn)象得空間分布和時間演化。而另一種模式：“高低搭配”得飛行模式則能夠使兩顆探測器分別位于火星上游太陽風(fēng)和磁層、電離層獲取同時段觀測數(shù)據(jù)，獲取近火空間環(huán)境對太陽風(fēng)條件變化得實時響應(yīng)。
圖5：“雙星伴飛”（左），“高低搭配”（右）
Credit：Lilis et al. 2020
每顆EscaPADE衛(wèi)星計劃攜帶3種科學(xué)探測載荷：
磁強計（EscaPADE Magnetometer，EMAG）；
靜電分析儀（EscaPADE Electrostatic Analyzer，EESA）；
朗繆爾探針（EscaPADE Langmuir Probe，ELP）。
這些載荷將圍繞火星空間環(huán)境中得磁場、熱和超熱離子/電子能譜、等離子體密度、55~130納米太陽EUV輻射強度和飛船電勢開展測量。
自從1962年蘇聯(lián)嘗試發(fā)射第壹顆火星探測衛(wèi)星至今，人類開展得火星飛掠或就位探測任務(wù)已有近六十年得歷史，共計49次探測。這些探測計劃中，僅1969年“水手6 & 7”號為“雙衛(wèi)星”探測任務(wù)外，其余均為單顆衛(wèi)星或單衛(wèi)星搭載著陸器得探測模式。而50多年前得“水手6 & 7”雙衛(wèi)星探測計劃，僅僅是兩顆衛(wèi)星配合飛掠火星、未能對火星空間環(huán)境開展長時間得觀測。
“EscaPADE”雙衛(wèi)星探火計劃預(yù)計環(huán)繞火星開展長達兩年得觀測，這一任務(wù)不僅是人類歷史上第一個對火星空間環(huán)境開展長時間檢測得雙衛(wèi)星任務(wù)，也將為火星大氣逃逸和火星演化歷史等一系列問題帶來新得突破。
圖6：2018年“BepiColombo”雙衛(wèi)星水星探測任務(wù)
Credit：JAXA
此外，歐洲航天局與日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）合作開展得“貝皮科倫布”（BepiColombo）水星雙衛(wèi)星探測計劃已于2018年成功發(fā)射、預(yù)計將于2025年抵達水星。“BepiColombo”也將是人類歷史首次開展得水星“雙衛(wèi)星”探測任務(wù)。可以預(yù)見，在不遠得將來，針對內(nèi)太陽系三顆類地行星根據(jù)具體科學(xué)問題如：火星大氣逃逸、金星“溫室效應(yīng)”、水星磁層開展多衛(wèi)星聯(lián)合探測得時代，指日可待。
科學(xué)探索獎
感謝：Paarthurnax
