科学汇 | “天问一号”将带我们跨过星辰大海去看火星,一起来吧

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钱江晚报·小时新闻记者 陈伟斌

八大行星图.png

八大行星

2020年4月24日,是我国的第五个航天日。同日,国家航天局也发布了中国首次火星探测任务名称、任务标识:行星探测任务命名为“天问系列”,中国首次火星探测任务名称为“天问一号”。

在七年级的科学教科书中,专门有一课讲得就是太阳系。其中,火星是大家最感兴趣的地外星球之一。

恰巧,今年是人类进行火星探测的第60个年头。按早先的消息,2020年,除了中国,还将有两个不同的火星探测车发射到火星——美国的“2020火星探测车”、欧洲和俄罗斯联合研发的“Rosalind Franklin号”火星车。

但因疫情及技术等原因,上述探测车的具体发射时间,目前尚未确定,欧洲火星探测计划则已确定推迟到2022年。

即便如此,人类向火星发射探测车、不断探索宇宙的步伐,也永远不会停止。

火星长什么样?

作为太阳系的八大行星之一,火星是太阳系由内往外的第四颗行星,属于类地行星,介于地球和木星之间。

它形状和地球很像!不过火星的直径约为地球的53%,质量约为地球的11%。

颜色和地球不同。研究发现,火星表面的赤铁矿(氧化铁),让整个星球呈现出橘红色外表。

和地球的大气层相比,火星的大气中主要成份是二氧化碳,且稀薄又寒冷,沙尘悬浮其中,每年常有尘暴发生。

此外,地球因为有着丰富的动植物等各种自然资源,地表景象远比火星的丰富。

火星基本上是沙漠行星,地表沙丘、砾石遍布。地质活动不太活跃,地貌大部分于远古较活跃的时期形成,并有密布的陨石坑、火山与峡谷。

为什么人类对火星如此感兴趣?

相较于其它行星,在人类目前科技认知范围内,火星是最有可能接纳人类的行星。

火星自转一周,也就是一个火星日的时间为24小时37分,并且火星上还有春夏秋冬四季的气候变化。

著名天文学家、科普作家卡尔·萨根曾解释过人类探索火星的原因:首先火星是地球上人类可以探索的距离较近的行星之一;其次,大约40亿年以前,火星与地球气候相似,也有河流、湖泊甚至可能还有海洋,未知的原因使得火星变成今天这个模样,探索使火星的气候变化的原因,对保护地球的气候条件具有重大意义;此外,他还列举了诸如长期来看,火星是一个最有可能供人类移居的星球等理由。

这些理由一定程度上得到了全世界科学家的认可。

目前已有多少探测器到过火星?

事实上,早在1960年,人类就尝试发射探测器前往火星。最早的一枚,应是由前苏联于1960年发射的“火星1A号”,但那次任务,并没有成功。直到1964年,美国的“水手4号”探测器才被发射成功。

总之,人类前前后后向火星发射过四十多个探测器。失败与成功交相更替,但人类从未放弃过。最为知名的火星探测器,应该还是美国的“机遇号”、“好奇号”火星探测车和“洞察号”火星无人着陆探测器。

由于宇宙空间情况复杂,这些探测器的飞行时间受到轨道类型、速度增量要求、发射窗口、推进方式等等各种因素影响。当然,还取决于航天器的技术水平。所以目前,大部分火星探测器从地球到火星的飞行时间为250天左右。

目前暂称“火星一号”的中国造火星探测器是新一代火星探测车中体积最小的,但它将执行与同类探测器类似的任务:寻找火星表面的生物特征和生命迹象。

除了火星车,还将有一个轨道飞行器,将配备高分辨率照相机、中等分辨率照相机、地下雷达、矿物光谱仪、中性和高能粒子分析仪以及一个磁力仪。

兴趣小组

中国的火星车

何时驰骋火星?

火星在中国古代被称为“荧惑”,其实此前,中国已经在探测火星的道路上,有过尝试。

据了解,我国正在开展首次火星探测工程的研制工作。

按照计划,2020年我国将通过长征五号发射火星探测器,并通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视探测。我们国家也准备通过发射探测器了解火星的状况,获得更多信息,以此能够帮助人类更好地研究地球的演变与未来发展。

探测器发射后,大约需要经过7个月左右的飞行抵达火星。

按照中国火星探测计划的步伐,不久的将来,中国还将逐步成立火星表面观察站、发展飞行器穿梭地球与火星,并且建立火星基地供机械探测器进入。

  思考思考题

1、火星质量是地球质量的1/9。已知质量为1kg的物体在地球上所受的重力为9.8N,即g为9.8N/kg,质量为1kg的物体在火星上的重力为3.76N,即g为3.76N/kg。那么在地球上最多可以举起100kg物体的宇航员,请问他到火星可以举起质量多大的物体?

答:100乘以9.8等于980(N);980除以3.76等于260.6公斤。

2、火星是太阳系八大行星之一,属于类地行星,显橘红色。火星基本上是沙漠行星,以二氧化碳为主的大气层既稀薄又寒冷,沙尘悬浮其中。在地球上,我们看到的日落是红色的,那么你知道火星上的日落是什么颜色的吗?为什么会呈现你所认为的颜色?

答:光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。

先认识两种散射——

锐利散射(Rayleigh scattering)发生在很小的颗粒上,比如大气里的气体分子。散射规律是与波长的四次方成反比,也就是说,对短波的散射远强于长波。

米尔散射(mie scattering)对应于散射颗粒尺度接近光波长的粒子。比如火星大气里的尘埃,尺度约为3微米,对应于电磁波谱例的中红外光。米尔散射偏向于散射跟自身大小接近的波长的光。    

地球大气里主要成分为气体分子(在非沙尘天气里),颗粒很小,行为由锐利散射描述,散射波长短的光子。

因此,你在白天看到的天空是蓝色的,因为气体分子受到太阳光照射,散射蓝光。而在火星上大气稀薄,气体成分不在主导散射行为,而相比之下尘埃颗粒较多,这些尘埃颗粒比较大(几个微米的量级),散射行为由米尔散射(mie scattering)描述,散射的光子波长跟自身颗粒大小相同,因此散射红光,这时你看到的天空的颜色是红色。而在视线方向上,因为来自太阳的光中红色部分被散射掉了一些。

所以,你看到的光会偏蓝。

出题老师:钱佳芹

杭州市丁兰实验中学副校长






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第二道题是有点难的

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