作者：范开、魏勇
作者简介：魏勇研究员，中国科学院地质与地球物理研究所。
写在前面
作为中国首个火星探测任务，“天问一号”火星探测是 2021 年国内最被公众关注的科学大事件之一。“科学探索奖”特别邀请了“天问一号”首席科学家助理、国科大行星科学教授、2020 年“科学探索奖”获奖人魏勇开设专栏‘行星学者聊火星’，解读火星探测任务在各个关键时间节点上的科学进展。
2021 年 2 月，我国自主研发的首颗火星探测器“天问一号”历经 6 个多月，跨越 4.65 亿公里成功抵达火星。回顾之前的系列文章，“天问一号”的主要科学任务包括调查火星表面环境进而理解火星大气的演化过程。在我国“天问一号”成功发射之前，国际火星卫星探测任务主要由美国、前苏联和欧洲的大型航空航天机构主导。
它们的研究结果显示，在约 40 亿年前，火星表面曾经存在过湖泊与海洋，但是今天的火星表面却无比干涸，其表面形貌特征与我国甘肃、青海、新疆等地的雅丹等风蚀地貌类似。为什么地球的表面仍然存在着海洋而火星的湖泊却不见了呢？地球的未来可能像如今的火星一样干涸吗？这些有关“火星表面液态水的去向”问题成为科学家关注的重中之重。
图 1：火星、地球冲积扇卫星照片对比图
Credit：NASA（左），ESA（右）
如果把火星与地球对比，可以发现不少差异，其中，由两点区别尤其引人瞩目：
火星质量更小、重力仅为地球的 0.38；
火星缺乏内禀磁场，不像地球的地磁场能够延伸至地表 50，000 公里以上的高空。
引力更小，意味着火星表面的水、干冰通过蒸发、升华进入火星大气后，更容易扩散至高空、被太阳辐射电离，分解成 H+、O+、CO+、CO2 + 等带电粒子；而火星又缺乏类似地球的“全球地磁场”，这些高空中的带电粒子在火星向阳面 400 至 600 公里的高度即可进入太阳风、被太阳风电场加速，最终逃逸损失至行星际空间。这一过程，称为“离子逃逸”，是导致火星表面水成分和大气损失的重要原因之一，也是欧洲航天局“火星快车”（Mars Express，2003 年）、美国国家航空航天局（NASA）“火星大气与挥发物演化”（Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN，2013 年）任务的主要科学目标。
图 2：MAVEN 逃逸离子观测结果
Credit：NASA
驱动离子逃逸的主要能量来源是太阳辐射和太阳风。当太阳风条件增强时，火星磁层的离子逃逸速率也会成倍上升：譬如中国科学院地质与地球物理研究所魏勇研究员 2011 年的研究结果显示，当太阳风动压增强 2 至 4 倍时，火星全球离子逃逸速率升高一个量级。此外，当太阳活动水平较强时，经常伴随高强度的太阳耀斑、日冕物质抛射使火星处的太阳辐射、太阳风动压大幅增强。但是，不论是 Mars Express 还是 MAVEN 都是单颗卫星环绕火星开展就位测量、其卫星的轨道周期长达 4~6 个小时，时长远远高于火星磁层中的离子逃逸现象对太阳爆发事件的响应时间。
图 3：MAVEN、EscaPADE 卫星探测轨道示意图
Credit：NASA
另外，单颗卫星在环绕火星的过程中也无法同时检测太阳风和火星磁层的变化 —— 当探测器位于太阳风中时，便失去了磁层离子的信息；而当飞船进入磁层，则无法监控太阳风的变化，也就无法呈现火星磁层对太阳风参数变化的实时响应，所以，为了弥补单颗卫星的探测局限，NASA 计划于 2024 年开展“逃逸与等离子体加速及动理学探索者”（The Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）双卫星火星探测任务，简称“逃逸探索者”（EscaPADE）。
这将是 NASA 继 1969 年之后的第二次火星“双卫星”探测任务，也将是世界首个对火星空间环境开展长期环火探测的双卫星任务。“逃逸探索者”的主要科学目标包括：进一步理解火星磁层的主要控制因素及这些驱动源对磁层离子流的影响；进一步理解太阳风向火星磁层的能量、动量传输过程；进一步理解火星大气层逃逸/沉降粒子的能量、物质交换过程。
如果说的更直观一点，“EscaPADE”计划通过两颗卫星在火星磁层内、外的同步探测，建立太阳风、太阳辐射的能量注入与火星离子逃逸速率之间的量化关系，尝试性地探索太阳平静期和太阳风暴期间火星大气中的水、二氧化碳逃逸损失的具体数额和物理机制，最终，将当前的观测结果用于反演过去 40 余亿年间“青少年”太阳对火星离子乃至全球水冰、大气逃逸的演化过程。
“EscaPADE 任务”单个探测器重量小于 90 公斤，轨道近火点 200 公里、远火点根据任务不同阶段依次为 7000 公里和 5660~8685 公里，卫星轨道周期约 4~6 个小时。
图 4：“EscaPADE”双卫星探测计划
Credit：Lilis et al。2020
为了克服之前单颗卫星无法多点同时探测的不足，“EscaPADE”两颗卫星预计将开展两种飞行模式：
同轨道一前一后的“双星伴飞”；
两轨道高差约 3000 公里的“高低搭配”。
“双星伴飞”模式既能同时观测空间尺度小于卫星间隔的磁层动力学过程，也可以在同一位置获取两颗卫星依次跨越的短时间尺度信息，因此这一模式可有效区分观测现象的空间分布和时间演化。而另一种模式：“高低搭配”的飞行模式则能够使两颗探测器分别位于火星上游太阳风和磁层、电离层获取同时段观测数据，获取近火空间环境对太阳风条件变化的实时响应。
Credit：Lilis et al。2020
每颗 EscaPADE 卫星计划携带 3 种科学探测载荷：
磁强计（EscaPADE Magnetometer，EMAG）；
静电分析仪（EscaPADE Electrostatic Analyzer，EESA）；
朗缪尔探针（EscaPADE Langmuir Probe，ELP）。
这些载荷将围绕火星空间环境中的磁场、热和超热离子/电子能谱、等离子体密度、55~130 纳米太阳 EUV 辐射强度和飞船电势开展测量。
自从 1962 年苏联尝试发射第一颗火星探测卫星至今，人类开展的火星飞掠或就位探测任务已有近六十年的历史，共计 49 次探测。这些探测计划中，仅 1969 年“水手 6 & 7”号为“双卫星”探测任务外，其余均为单颗卫星或单卫星搭载着陆器的探测模式。而 50 多年前的“水手 6 & 7”双卫星探测计划，仅仅是两颗卫星配合飞掠火星、未能对火星空间环境开展长时间的观测。
“EscaPADE”双卫星探火计划预计环绕火星开展长达两年的观测，这一任务不仅是人类历史上首个对火星空间环境开展长时间检测的双卫星任务，也将为火星大气逃逸和火星演化历史等一系列问题带来新的突破。
图 6：2018 年“BepiColombo”双卫星水星探测任务
Credit：JAXA
此外，欧洲航天局与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）合作开展的“贝皮科伦布”（BepiColombo）水星双卫星探测计划已于 2018 年成功发射、预计将于 2025 年抵达水星。“BepiColombo”也将是人类历史首次开展的水星“双卫星”探测任务。可以预见，在不远的将来，针对内太阳系三颗类地行星根据具体科学问题如：火星大气逃逸、金星“温室效应”、水星磁层开展多卫星联合探测的时代，指日可待。