探测器列传：12.火星上的冰
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了解科学爱上科学欢迎收听科学视频话咱们广告还是坐在前边上次我带着大家去了一趟上海自然博物馆这一天过得还是蛮充实的无论是大朋友还是小朋友都给出了很积极的反馈大家都挺嗨的

现在我们新一期的活动已经开始报名了这次活动是安排在 11 月 16 号也就是下下周六想要参加的朋友们就注意了报名截止时间是下周六也就是 11 月 9 号您快着点这种活动特别适合六岁级以上的亲子家庭一起参与当然您要是七岁以上的小朋友就可以独立来参加了

这样就可以让我们共同开启一段奇妙的自然生命探秘之旅就让孩子们在探索中学习在快乐中成长

特别提醒一下我们的活动名额是有限的仅限 10 组家庭一旦满团就不接受再报名了感兴趣的朋友们呢就可以通过关注科学史评话公众号查看历史文章或者是输入上海自然博物馆活动来获取报名信息期待两周之后的周六我们能在上海自然博物馆相见好了咱们闲言少叙书接上文呢

上文书讲到了美国人登月成功了阿波罗 11 号成功的降落在了月球的静态地区苏联的月球 15 号失败了没能实现月球采样返回的任务因为大家注意力全都被登月给吸引了那真是万人空降所以水手 6 号 7 号就被大家忽略了这俩探测器正在对火星进行探测了

这个水手六号呢比水手七号早发射一个月水手六号这一路走的还是比较顺利的大家对水手六号呢也都比较关注因为水手六号就快要到火星了嘛这水手七号呢还得等几天才到没想到这时候水手七号的无线电信号开始闪烁时有时无把地面人员就吓了一跳他们就马上组成了一个七人小组应对这个麻烦

大家分析数据分析来分析去就发现这个水手 7 号状态不稳正在那翻跟头的你都快到火星了你翻什么翻呢真是所以这一翻跟头就导致天线没有办法长时间盯着地球方向所以才时有时无出现信号闪烁现在首要任务就是重新建立无线电联系

大家折腾了半天最后是澳大利亚的堪培拉测控站收到了水手 7 号的信号这个测控人员就利用堪培拉的这个大天线对着水手 7 号发指令让这个水手 7 号重新进行星光校准这样的话呢就可以把姿态稳定下来了

指令发出去以后呢水手 7 号闪烁的信号就开始逐渐逐渐的变慢最后稳定下来了信号也变得越来越强这说明呢这个水手 7 号啊它不再翻跟头了这到底是怎么回事呢

因为这种深空探测器都是靠探测星光来稳定自己的姿态一方面呢要盯住太阳另外一方面呢还得盯住老人星再盯一颗呢就是多盯一颗深宿四这盯住这几颗星差不多姿态也就稳了

但是吧如果探测器调整姿态的时候喷了点什么东西出来比如说啊喷出少许颗粒在航天器旁边乱飘这阳光一照呢这些颗粒也都会被照亮这个东西是会干扰星光校准的啊人家把那个照亮的这个小颗粒啊当星星跟踪了那那那能跟得住吗是吧这不可不就一开始翻跟踪了吧现在呢这个问题解决了水手气号正常了

但是这个水手 6 号又出毛病了它有一个冷却装置不工作这个冷却装置呢是用来研究火星底层大气的那个探测器的专用冷却装置红外线传感器都是要冷却到很低的温度才能够提高它的灵敏度减小噪音

如果这个冷却装置罢工了呀那这个传感器就没法用了好在呢水手 7 号上携带的各种传感器呢也不止这一个啊坏了就坏了啊咱凑合着现在水手 6 号的摄像头已经打开了地面人员呢已经可以看到这个水手 6 号奔着火星就冲过去了当然拍的这些照片都是要事先保存在磁带上然后呢再慢慢传回地球毕竟距离太远了传个信号太麻烦

地面人员也看到了火星的样子这个样子就和上次水手 4 号拍摄的照片是很不一样的上次水手 4 号拍摄到的照片看起来跟月亮差不多全都是大坑套小坑都是被陨石给砸的可是这一次地面人员从发挥的照片上看到了更复杂的地形结构火星表面甚至有很多混乱的地形这说明啥呢

要么就是火星上这个冻土带解冻了啊这地下水啊这个冰雪融化啊地表地表膨胀就导致那这个地表出现很多不规则的褶皱要么就是大型火山啊当年导致地下出现了熔岩管道现在这管道塌了因此呢地面上看着就跟一道伤疤一样啊这种结构

反正这些地形机貌都说明了火星和月球是大大的不一样上次大家都被水手四号的照片给误导了

因为这次水手六号和七号还是飞掠而过这个水手六号是斜着从赤道附近擦过去因此呢他沿着火星的腰部拍摄的照片就给拼成一长条大家就发现这些巨大的陨石坑底部都比较平就说明这些大坑都比较古老因为时间长了嘛这坑底都被沙子和泥土给慢慢填平了这说明岁数真的不小了

但是那些小坑倒是非常新因为底部都比较深

有些环形山中间还会有个小山包一个小尖尖因为啊这个大型陨石砸下来的时候火星地表尽管是固体但是在高速撞击之下它会表现出某种类似液体的行为地面呢也会出现一个巨大的涟漪中心凹下去然后再鼓起来它会晃悠好几次最后呢在鼓起一座小山尖尖的时候大地固化了它是个固体嘛这个小山尖尖就保留下来了

所以说呢这个小山尖尖呢就代表着这陨石坑比较新鲜啊这刚砸出来没多久那么好了越大的陨石坑就越古老越小的反而越年轻这说明啥呢就是火星早期遭遇的小天体个儿都比较大呗所以这个现象就很值得研究

这个水手 6 号上还装着好几个光谱仪呢有红外的有紫外的尽管有一个红外装置这种设备坏了嘛没关系这个传感器也不止这一个通过红外波段就可以计算出火星地面的温度还有地面气压之类的数据通过紫外线传感器呢就可以研究火星的高层大气因为高层大气受到太阳短波辐射的激发会产生紫外线

通过这些数据结合着照片大家就发现有一块地方的地表气压特别低这说明啥呢说明啊这个地方是一片高原啊这个比周围的地区呢它高出了好几公里它气压能不低吗是吧

它这直径大概有 100 多公里所以这片高地的面积还不小这个高地到底是怎么形成的呢是火山爆发呀还是板块挤压呀这个火星上有板块吗反正这块高地看着特别别扭好展开照片继续往后看地面的研究人员又看到了不可思议的景象

这块高地后边有一大片区域完全是光滑的没有任何陨石坑这地方那个尺度啊起码是一千多公里啊这么长的距离这么大的宽度怎么连一个陨石坑都没有啊这不正常啊有哪种力量能把这陨石坑全给磨平了呀是流水冲刷的吗还是说这个地方本身就是一个干湖床呢

这么大的一个湖啊这是湖啊这是海啊那火星上的水有这么多吗你要多大水才能冲出这么一大片来所以科学家们判断这不是水冲的吧这是风吹的吧可是你想想啊火星那个稀薄的大气有没有办法吹出这么大的风呢总之泥团越来越多它不是越来越少不过大家可以肯定的是

火星这地方就比月球复杂多了火星一定有一个完全不一样的历史过程水手七号比水手六号晚一点到达火星水手六号就等于起到了打前站的作用吗

大家在画面上就看到了火星南极的极冠特别亮因此呢就临时改变了计划让这个水手 7 号啊从火星南极上空啊多飞一会儿啊多拍几张照片啊就是为了好好研究一下火星的极地冰层火星的南北极呢都是有极冠的北极的极冠在夏天是会消失的南极的呢也会缩小但是并不会完全消失

你可能觉得呀这个火星的极贯呢就像地球上的南极大陆一样到处是洁白一片

科学家们最开始看到火星南极照片的时候呢也觉得是这样但是对数据进行了处理以后咱们压低一下亮度加大一下对比度大家发现啊火星南极的冰层并不是纯白的里面有层层叠叠的复杂结构而且呢也有高低深浅当时科学家们就判定这个南极极关是很薄的干冰的积雪啊只有几公分厚

下面可能会有很厚的水冰但是照片上是看不出来的还得分析红外线数据才能知道因为干冰和水冰的反光光谱它是不太一样的有关火星上的冰层呢我们就先得建立一个观念那就是火星上的气温比地球上可低多了夜里啊地面的气温大致是零下 73 度到零下 125 度之间所以人家零下 100 度是家常便饭的

赤道附近气温最高的时候也就是零上 20 度左右这是最热最热的情况了绝大多数地区是达不到这个气温的长年以来火星的环境就是如此

所以在火星非常寒冷的南北极地区即便是有水冰这些水冰也从来都没有融化过你就可以当它是石头这都是陈年老石头了根据后来大量的探测器发挥的数据这些水冰往往含有不少的尘埃所以颜色也就不像地球上的那个冰山地球上的冰山可漂亮了白得耀眼白得晶莹剔透

火星上的冰呢都是脏兮兮的一点都不好看当然了深层的冰它就没有那么多尘埃了越靠近地表呢这冰就越脏根据现代探测的数据火星南极的冰盖厚度大概是三公里北极呢大概是 2.5 公里这个厚度其实跟地球南极的冰盖是差不多厚的只是颜色不太好看啊

我们看到的那个随着季节涨落的白色冰雪那不是水冰而是二氧化碳构成的干冰在火星两极地区呢气温是可以下降到二氧化碳的凝固碟以下的所以二氧化碳气体会直接出现凝滑现象从气体直接变成固体颗粒凝结到大地上

在北极的冬天这种干冰可以积攒到一米厚夏天来到呢这些干冰也就全部升华了所以呢火星北极夏天几乎是看不到极冠的但是南极就不一样了南极远比北极冷啊这一点倒是和地球差不多

它冬天积攒的干冰厚度可以达到 8 米厚夏天来临的时候呢这干冰会变薄但是不会消失所以火星南极的极贯会涨落但是它是绝对不会完全消失的

所以呢火星南北极的这个极观其实啊是覆盖在水冰层之上的一层干冰层干冰层有涨有落水冰层从来也没有达到过融化的温度因此它基本上不会有什么变化当然我们如果从漫长的地质年代角度来看呢火星历史上也不是总这么寒冷

南北极的冰层也不是短时间内就积攒到这么厚的这个冰层它也是一层一层分层的每一层都对应着火星气候的变迁而且火星地轴的摆动也会影响到冰层的发育

当然了也不只是南北极了火星地表的气温普遍都比较低因此中低纬度地区也是有不少水冰的只不过呢这个地方就不如两极那么多了有很多冰雪都是被埋在地下的露出来的其实是少数在中纬度地区呢也发现过冰川的地形就说明了中纬度地区也曾经出现过很厚很厚的冰川

估计当时火星的地轴发生了倾斜导致原本不够冷的地面变冷了所以这些冰的存在呢本身就蕴含着很多很多的信息总之呢水手六号和七号的返回数据总量达到了 640 兆水手六号呢发挥了 49 张火星的原镜图像和 26 张近景图像水手七号呢发挥了 93 张原镜图像和 33 张近景图像

近景特写图像覆盖了火星表面的 20%所以这一次就比上次水手 4 号的成果要丰富多了可惜这一次依然是飞掠而过没有办法长时间观测要实现刹车减速进入环绕火星运行的轨道只有等下一次了

不过呢这一次倒是利用探测器绕到火星背后的机会利用地面无线电和探测器之间的通信探测了火星大气的折射率变化也就间接测量出了火星大气的密度分层这种做法呢对日后的探测器基本上都是常规操作

现在美国人的主要注意力全都是在火星上苏联人还是一根筋的盯着金星在 1970 年 8 月份他们发射了金星 7 号这次他们就学乖了把这种鱼要做大一点比如说着陆器内部加了保温材料就是为了让探测器能在金星大气之中多坚持一阵子你烧坏了那不行

这壳子用的是钛合金来制造能够承担啊 180 个 8 的大气压和 580 度的高温降落伞的面积呢也减小了只有 2.8 平方米相当于前几次用的那个引导伞就用了这么小的一个降落伞就是为了探测器你快点穿过金星大气吧就你快点穿过去呢就能快点落到金星表面啊这这这敢在烧坏之前落下去那才是有用的啊

这个探测器是 1970 年的年底到达金星的 12 月 15 号着陆器就从主探测器上分离了进入了金星的夜间大气这家伙属于天黑了才下去的它是先是利用金星大气层来减速在到达 60 公里高空的时候降落伞就打开了天线也展开了着陆器开始往地球发送无线电信号 6 分钟之后这降落伞就裂开了

这不是意外这是专门设计的就是为了降落速度更快一点

29 分钟以后这个着陆器就撞到了金星的地面也就是说着陆成功了然后呢就没信号了说明这个着陆器已经摔坏了嘛不过呢苏联人用于记录数据的磁带一直在转一直在转一直没有停事后呢苏联人又从录制磁带里面挖出了 23 分钟的数据这些信号非常非常微弱因为天线歪了根本就没有对着地球的方向

前后整个着陆过程之中无线电都是歪的信号都很弱能解读出来的只有温度数据了不过呢利用多普勒平仪大家也发现了这个着陆器落地之后啊还弹跳了那么几次根据多普勒平仪就可以计算出速度了根据速度变化的情况就可以计算出金星大气的阻力根据阻力进而就可以反推出大气的压力

最后得到金星表面的环境温度是 475 正负 20 度气压是 90 正负 158 和大家的预期是完全相符的当然了苏联人在每个窗口期探测金星都是速速连发两颗金星探测器只不过后一颗发射失败了它就没有获得正式编号就在 1969 年到 1970 年之间

苏联也是连续发射了好几颗月球探测器可惜都没有成功当时苏联有点走备运总是发射失败一直到了 1970 年 9 月份月球 16 号才发射成功月球 15 号跟月球 16 号长得几乎是一模一样只是呢这个月球 15 号发射太仓促了最后没有能够完成任务

苏联人的数学是非常强的他们发现了一组地月往返的轨道只要沿着这个弹道走几乎不用修正从月球表面直接起飞就能飞到地球靠地球的引力就可以消除各种各样的误差这样比较省事但是这个方案对落月的落点有要求你只能落在月球上东经 56 度的赤道附近就在这一小块

你只要算准了时间从这个位置起飞就可以直接飞回地球可是这个地区到底是不是平坦呢它适不适合探测器着陆呢这地方要全是山全是斜坡那就麻烦了好在根据月球 12 号拍摄的照片这个地方应该是平的而且这个地方和阿波罗登月的地点它不重合采集的月壤依然具有科学意义

这个月球 16 号探测器的外观呢长得真是比较猥琐啊比较少而不一这个探测器呢是各种各样大大小小的球组成的其中呢中间有个柱子比较长啊这柱子头顶一个球啊柱子底部中间还是个大球然后一左一右各接着一个球啊这两个球呢是燃料罐啊最后飞回地球的就是这么个东西其他部分全扔了啊

探测器的底座呢带个采样臂带了一个打孔用的钻机可以钻进地里面获取 38 厘米长的这么一根延新样品然后呢放进返回舱的样品罐里面采样足够以后呢这个罐子就封闭了下一步就是返回地球了

发射这个探测器用的是质子号火箭运载能力和我国的长征五号是差不多的只是这个火箭呢用的是大毒发用的是偏二甲锦加四氧化二氮而且这个毒发还是分级燃烧的性能非常棒可惜可靠性差了一点这次呢这个质子号专门做了改进在接下来的一年里面它连续发射成功了九次啊这也算是不错了啊这个改进还是有效的

月球 16 号从地球发射绕着地球转了 270 度以后就直接奔着月球轨道去了这次旅程大概要花 102 小时然后就进入了环绕月球运行的轨道地面测控人员小心翼翼的发出指令让月球 16 号调整轨道降低进月点在 9 月 20 号的时候月球 16 号就进入到了着陆过程了这发动机开反推运行了 270 秒然后

然后就看着这个月球 16 号开始慢慢下降了在距离月球表面 600 米高的地方发动机再一次开机减速一直到 20 米高度上主发动机彻底关机了这时候就靠游击减速也就够了最后游击在两米高度上关机探测器就降落在了月球的表面这是四年以来苏联探测器第一次成功的着陆在月球上

这个探测器一落地马上就打开了 360 度全景相机到底在哪下铲子往哪挖你没有图是肯定不行的可惜现在太阳已经下山了当地是一片漆黑

本来呢探测器外边都装了泛光灯的嘛就是地面发指令把这灯打开可惜怎么发指令这泛光灯都不亮啊这灯泡坏了这地面操控人员只能摸合干活了就是你凑合着吧啊最后最后呢这个钻机钻取了 35 厘米长的这个岩芯就装进了返回舱的那个罐子里哎不对啊不是应该钻 38 厘米吗你怎么少了 3 厘米啊

这个就没有办法了因为打洞打到 35 厘米的时候呢就发现下边太硬打不动了那就不能继续再打了有 35 厘米呢它也就够用了是吧这一切工作都完成以后上升段的发动机就点火了把返回舱加速到了 2.7 公里每秒钟

只要垂直起飞就足够了剩下就不用管了这种轨道都是经过精心设计的月球在绕着地球公转所以呢别看现在地球并不在头顶上但是呢等这个返回舱啊飞起来飞回来的时候这个地球恰好就移动到这个返回舱的轨迹上刚好对准这两者就刚好相遇

燃料罐烧光了以后呢这个返回舱就和上升段分离了最后回到地球上的就是月球 16 号最顶上的那个小球而已就它回来了当然了苏联人的这种轨道设计局限还是很大的因为落地的地点没有办法灵魂选择主要是当时自动控制能力很有限只能从月球直接起飞飞回月球轨道也是死磕死的

只能采取这种不动脑子直接垂直起飞的设计这样最简单后来呢咱们国家的嫦娥五号六号那那个能力就强太多了选择降落地点的余地也大得太多了啊这嫦娥六号都落到月球背面去了这自动化水平是完全不一样的我国取样返回过程几乎就和阿波罗登月的流程是一模一样的

只是送的是延时样本而不是人罢了不过这些都是后话了月球 16 号的返回舱在哈萨克斯坦大草原上着陆了这个搜寻人员找了半天终于找到了这么个球

然后就迅速把这个球运到了莫斯科的沃尔纳德斯基比较行星学习实验室在这个实验室里有一个充满了惰性气体害的无菌室在这个舱里面把返回舱给打开了从里面取出了 101 克月球岩石样板

尽管当时美国人已经通过阿波罗 11 号和 12 号从月球上挖回了 50 多公斤的月壤了但是苏联人挖的月壤地点是不一样的这还是具有研究意义的然后苏联人就拿出三克样品和美国人做了等价交换我拿三克换你三克然后呢这两边的科学家就回去门头研究去了

一顿研究以后发现了哎这两边的月壤啊真的成分是差不多的都含有玻璃啊还有类似金属的这些颗粒反正呢年代都相对来讲比较古老啊

至此呢苏联人终于挽回了一点面子毕竟他们宣称啊无人探测器要比那阿波罗飞船价钱便宜 20 倍不过呢你把这个发射失败的那些也算上的话呢也就便宜不到哪去了下一步呢他们就要发射月球 17 号了这个探测器究竟有什么不一样呢我们下回再说科学声音