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水手4号

第一个真正成功的火星探测器是“水手4号”，1965年，它成功地飞掠火星，拍摄到了关于火星的第一张清晰照片。照片上没有河流，没有大海，也没有任何生命迹象。“水手4号”还发现，火星表面有大量的撞击坑。“水手4号”有两项发现颠覆了人们的认知。首先，它发现火星表面在过去40亿年里没有发生过变化，没有地质变迁也没有风化。其次，它发现火星没有全球性的磁场，所以无法抵挡致命的宇宙射线。“水手4号”还设法测量了火星的大气压，发现还不到地球的百分之一。哪怕有一滴水释放到火星表面，也会立刻沸腾汽化。从“水手4号”以后，人们对火星生命的研究就转向了微生物。“海盗”计划双探测器

“海盗”计划，是美国在上世纪70年代发射的2颗火星探测器。当时的美国宇航局（NASA）携“阿波罗”计划胜利之威，连续启动了多项宏大的深空探索计划。“海盗”计划的两个探测器结构相同，都是由一个轨道器携带一个着陆器。它们在1975年8、9月间的地火转移时间窗口先后发射，分别在次年6月和8月抵达火星轨道。这两个探测器在当时耗资10亿美元，相当于今天的50亿美元。但这笔钱花得物有所值，在很长一段时间里，人们对火星的知识主要来源于这两个探测器。

“海盗号”的轨道器拍摄了大量关于火星的照片，人们从这些照片上发现，火星表面的很多地貌特征是由大量水体造成的。在很多区域，有着大量的河谷。水流奔涌数千公里，冲破阻碍、切开深谷，在岩石上侵蚀出深深的沟槽。在火星的南半球，有着复杂的河谷支流，意味着这里曾经有降雨。有些火山的侧面看上去和夏威夷的火山颇为相似，而后者是因为长期被雨水冲刷才形成了现在的样子。还有一些冲击坑看上去像是陨星掉进了泥浆里。也许，这正是因为当时地面上满是冰雪，陨星的热量融化了冰雪，把水和土壤变成了一片泥塘。在一个被人们称为混沌地形的区域，大量的水似乎转瞬之间就消失了，只留下空空的河床，消失的水量大概是密西西比河的几千倍。这些水到哪里去了，一直是困惑着科学家的问题。

两个“海盗号”轨道器运行了大约一个月后，分别向火星表面释放了着陆器。这两个着陆器和此前的月球着陆器一样，有着相当完整的结构。它们依靠热防护盾穿过大气，然后伸出6条支腿，着陆在火星上。不得不说这是个相当领先的成绩，欧空局至今也没能在火星上成功着陆。

“海盗号”的着陆器一共携带了4种科学仪器，分别是气相色谱仪、气体交换仪、标记释放仪和热解释放仪。着陆器上有一台机械臂，地面控制人员操纵这台机械臂从火星土壤上取样，然后放到科学仪器里进行检测。两台着陆器的设计和功能完全一样，但是降落在不同地点。经过取样测试，只有标记释放仪获得了比较有价值的结果。这台仪器向少量火星土壤中注入了一小滴非常稀薄的营养物水溶液。水溶液是探测器从地球上带去的，其中包含有放射性的碳14元素。经过静置和加热，人们发现土壤上方的空气里出现了二氧化碳14，这意味着土壤中的微生物有着新陈代谢的过程，对营养液中的物质发生了反应。两台着陆器都获得了相同的结论。然而，一周之后两台探测器再次进行相同的试验，却没有复现此前的结论。因此，很多科学家对“新陈代谢”这个结论表示了质疑，认为哪怕土壤中没有生命活动，也可以发生这样的结果。围绕此事的争论至今没有停息。

火星全球勘测者

1999年3月到2006年11月，“火星全球勘测者”执行火星全球制图任务，在此期间它发回的数据量超过了历史上之前所有火星探测计划收集数据的总和。随后由于探测器依旧状态良好，它先后3次延长任务期，在此期间对火星地表和全球气候模式展开持续观测，打破了在火星持续工作时间最长的纪录。直到最后，在迎来它在火星工作10周年纪念日之前仅仅5天，探测器不幸与地球失去联络。

“火星全球勘测者”在它的整个任务期间一共发回超过24万张照片，2.06亿条光谱学测量数据，以及6.71亿条激光高度测量数据。

它所取得的重要成果包括：

在火星地表观测到大面积的沉积层构造；发现了古代遗留的河流三角洲；发现一些河道，其中一部分显示活动迹象，暗示在近期仍然存在液态水活动；确认了一些通常形成于潮湿环境中的矿物结核体，从而帮助美国宇航局的机遇号火星车最终选定了其着陆考察地点。

其激光高度数据最终生成了一份几乎覆盖火星全球的高分辨率地形图，确认了火星各地的高程以及斜坡数据；详细观测了大量陨石坑，包括发现并确认很多已经被严重侵蚀和被埋入地表之下的陨石坑，这些陨石坑由于难以辨认，在之前的探测中都没有能得到很好的观测。

对于火星沙尘暴在重塑现代火星环境中所扮演的角色进行了详细的考察；探测发现火星存在局部区域性古代磁场残留，证明火星在过去曾经和地球一样拥有全球性磁场，从而可以保护地面免受致命宇宙射线的冲击，并阻止气体大量向空间散逸。

“火星全球勘测者”还收集了大量详细数据，帮助后续的火星探测器“凤凰号”选定着陆地点，分析了其中的风险和收益因素。在孪生火星车“勇气号”和“机遇号”着陆过程中和着陆后，火星环球勘测者还承担起数据中继卫星的任务。火星探路者

“火星探路者”是美国宇航局旨在实现低成本行星探测的“发现计划”旗下首个探测器。“火星探路者”在着陆火星地表之后成功地释放出“索杰纳”火星车，着陆器和火星车两者一共发回了23亿比特的信息。这些信息中包括超过1.7万张照片，超过15条对周围岩石和土壤的化学分析数据，以及大量有关着陆地点风和其它气候状况的纪录数据。

此次观测显示早期历史上的火星环境可能更加和地球相似，其地表可能曾经存在液态水，并且大气层浓度也要高于现在。

整个任务在火星表面持续了3个月，远远超出了原先计划中为着陆器制定的30天任务期限和为火星车制定的7天任务期限。

火星奥德赛

“火星奥德赛”于2002年3月份开始全球观测任务。其上搭载的伽马射线分光计不久之后便探测到确凿证据，证明在火星南北两极高纬度地区地表下方存在水冰与表土混合物，其中的水冰含量约为20%。

“火星奥德赛”的相机系统通过可见光和红外波段对火星进行了全球观测，辨识火星岩石和土壤中的矿物成分，并据此编制了目前分辨率最高的火星全球矿物分布图。

“火星奥德赛”搭载的设备对火星大气层进行了超过10年的连续观测，包括对不发生冷凝的气体，如通过检测微量气体氩来反演火星的大气循环模式。

“火星奥德赛”还对轨道高度上的高能辐射环境进行了监测，目的是了解未来的火星探测项目乃至载人火星飞行时将可能面临的辐射环境。

“火星奥德赛”的探测结果帮助圈定了火星车的着陆区，包括“勇气号”“机遇号”“凤凰号”以及“好奇号”。同时“火星奥德赛”也是这几辆火星车和地球之间实现通讯联系的重要数据中继站，“勇气号”和“机遇号”的探测数据有超过95%是通过这一数据中继站发回地球的。目前它已成为有史以来人类发往火星的，仍在工作的寿命最长的探测器，今后这员老将还将继续在火星工作，并为“好奇号”火星车提供支援。

火星快车

“火星快车”是欧空局发射的火星轨道器。自2004年1月起，“火星快车”开始不断传回火星的立体彩色图像和其它数据。其搭载的可见光和近红外波段光谱仪发现了粘土矿物信号，显示在火星地质历史上曾经存在比“机遇号”所考察区域酸性更弱的含水环境。科学家们根据火星快车以及随后的“火星勘测轨道器”发回的数据构建了一系列火星早期历史中全球性水环境的变化序列，这一做法和之前认为的火星仅具备偏酸性水环境的看法有所区别。

科学家们借助其搭载的热红外光谱仪数据，经过拟合数百万条光谱数据，不断改进信噪比之后，发现火星大气中存在甲烷。科学家们目前认为这一点说明火星上有某种机制正在不断向大气补充甲烷气体，因为甲烷气体在大气中不稳定，会很快分解而无法被探测到，因而这次探测到甲烷正好就说明了这一补充机制正在发挥作用。这种补充来源可能是生物的或非生物的活动，它的不断补充保证了甲烷在火星大气中的持续存在。这些发现对于研究火星过去和现在的宜居条件具有重要意义。2005年6月份探测器展开雷达天线，在随后的考察中它对两极地区含水的沉积层进行了研究。

2018年7月25日，意大利科学家在《科学》杂志公布了通过分析火星快车探测器雷达数据得到的最新研究成果：火星南极冰盖下1.5公里深处，有一个巨大而稳定的液态水体。勇气号和机遇号

“勇气号”和“机遇号”是美国宇航局的一对孪生火星车，它们的任务是前往火星实地考察，找出火星环境历史的线索——尤其是要在经过精心挑选的地点寻找水的历史。这两个火星车的设计寿命都是3个月，但是它们两个最终都持续工作了数年之久。

“勇气号”在古塞夫陨石坑内展开考察，这是一个已经高度风化的陨石坑，直径150公里。之前轨道器的观测显示这一陨石坑在过去可能曾经是一个湖泊，其水源来自注入其中的一个河流网，这一河流网源自南部的一个高地。2004年6月，“勇气号”历经千辛万苦抵达了一座被称作“哥伦比亚山”的小山脚下，这座山距离它的着陆地点有2.6公里。它在这里发现了大量显示明显水环境暴露历史痕迹的岩石和土壤，包括发现一种铁的氢氧化物针铁矿，以及水合硫酸盐。它还发现一个富含碳酸盐的岩石露头，这显示这里曾经存在非酸性的潮湿环境。在山间的一块低地上，“勇气号”发现这里岩石上的纹理和组成中隐藏的证据，证明在地质历史早期这里曾在爆发的火山附近发生的液态水与炙热岩石之间的相互作用。

由于在长达3年多的考察期间严重磨损，“勇气号”的一个轮子无法继续转动，但是它拖着这个轮子继续蹒跚前行，展开科学考察，甚至因此有了意外的收获——这只拖行的轮子无意间刨开了松散的地面，暴露出下面埋藏的几乎纯净的二氧化硅沉积物。这一发现显示这里曾经存在热泉或蒸汽喷口。在地球上，这样的场所是微生物生存的理想地点。

“机遇号”的着陆地点是子午线平原，早先美国宇航局的“火星勘测轨道器”搭载的光谱仪已经在这一地区探测到大量的赤铁矿出露，这种矿物通常需要在有水存在的情况下才能形成。2004年1月25日，“机遇号”成功降落在一个直径仅有大约22米的陨石坑里。在接下来的数周内，“机遇号”对这片沉积岩层的考察终结了人们有关火星表面是否曾经有过长时间的流水存在的争论。这些岩层所展示的组成和纹理特征都显示这些岩石不仅曾经被水浸透，事实上它们甚至还曾经被浸没在轻微流动的水中。

此后，“机遇号”一路向南行进超过6公里，它的目标是一个更大更深的陨石坑——维多利亚陨石坑。在这里“机遇号”发现了富硫矿物，显示这里曾经存在酸性环境。

2008年年中，“机遇号”出发前往一个直径22公里的陨石坑——奋进号陨石坑，轨道器已经在这里观测到粘土矿物的信号，粘土矿物的形成一般和水有关，显示这里曾经存在酸性相对较弱的水环境。2011年8月份，“机遇号”行驶的总里程已经超过34公里，它终于抵达奋进号陨石坑的边缘，开始了它火星科考生涯的新阶段。在这里，“机遇号”发现了水中沉积作用形成的石膏矿脉，这些发现再次显示出可移动且性能耐久的火星车在科学考察方面的巨大优势。火星勘测轨道器

“火星勘测轨道器”的主要任务是用前所未有的高分辨率对火星的地表、近地表以及大气层展开全面观测。2006年11月，“火星勘测轨道器”正式开始科学考察工作。到目前为止，它发回的探测数据量已经超过了人类历史上所有飞往月球轨道之外的探测器所获取的所有探测数据总和的3倍以上。它的探测结果显示火星历史中可以被划分为3个非常不同的时期。

观测显示火星上不同类型的水环境形成了广泛分布的水成矿物，包括粘土、硫酸盐以及碳酸盐，这些矿物在早期火星历史上遍布全球。在更近的古代，火星上的水似乎以水汽的形式扮演了在两极的冰盖和低纬度地区冰雪循环的角色。

雷达观测显示火星地表下似乎存在周期性的层状特征，这可能是由于火星自转轴的周期性变化和轨道的周期性倾角变动造成的。这些周期调整着火星极地受到的太阳热量，火星上这种调节的幅度影响要大于地球的情况。

火星上也会出现冰期，持续时间为数千年至数百万年。雷达观测还发现在火星南极冰盖下埋藏着大量的二氧化碳干冰，这些干冰如果完全升华进入大气，会让今天火星大气中的气体总量增加一倍。观测显示火星上现在仍然有新的陨石坑，新的山崩和沙尘暴不断出现，这说明火星即使在今天仍然是一个充满活力的星球。这些观测已经为未来的考察项目圈定了很多具有高度潜在科学价值的地点。

凤凰号

2008年“凤凰号”火星探测器发射升空。它的主要任务有两项，首先是在火星上寻找一个微生物可能存在的“宜居”地区，另外一个就是研究火星上水的地质历史。

“凤凰号”携带了一个2.5米长的机械臂，可以进行一定深度的挖掘。“凤凰号”的科学仪器对于“海盗号”系列有一定的继承性。它所降落的地点，比两个“海盗号”的着陆器都更加靠北。按照“海盗号”的发现，越向北，火星土壤中新陈代谢的迹象就越微弱。那么，如果“凤凰号”找到了确凿的证据，“海盗号”的发现就更加有说服力了。“凤凰号”发现，自己着陆地点的土壤中含有高氯酸盐，这对生命存活是不利的。土壤的酸度和盐度还不算太高。“凤凰号”所采集到的土壤样本对液体水没有任何反应。火星大气和挥发演化探测器

“火星大气和挥发演化”探测器是火星侦察兵项目下实施的第二项计划，是在2007年从26个提交方案中挑选出来的。它对火星的高层大气、电离层以及火星大气和太阳风及太阳之间的相互关系进行考察。

诸多线索显示火星在其早期历史中曾经比现在更加潮湿。那么这些水到哪里去了？科学家们借助这个探测器的数据将考察挥发性成分，如二氧化碳和水汽从火星大气中向太空散逸在整个火星历史中所扮演的角色，从而了解火星大气和气候，液态水和行星宜居性的演化史。

火星痕量气体探测器

在“凤凰号”之后发射的，就是著名的“好奇号”火星漫游车和“火星痕量气体探测器”。它们的最主要的发现在于甲烷。“好奇号”的介绍已经连篇累牍，这里不再赘述。

“火星痕量气体探测器”的工作却容易被人们忽视。它2016年3月发射之后，10月就进入了火星轨道，释放了“斯基亚帕雷利”着陆器。但是这个着陆器因为时间误差坠毁在火星上，续写了欧洲火星着陆失败的历史。轨道器本身倒是没出什么问题，为了能尽量精确地测量火星大气，它必须尽可能深入其中。因此，“火星痕量气体探测器”勇敢地冲进了火星大气层。因为火星大气比地球大气稀薄太多了，经过长达11个月的漫长启动减速，“火星痕量气体探测器”才把轨道远火点高度从98000公里降低到了1050公里，算是抵达了大气比较稠密的地方。近火点高度则保持200公里不变。

经过在轨测试，“火星痕量气体探测器”到2018年4月才发回第一张图片，此后发回了火星大气中的甲烷含量图。这张图让诸多火星科学家和宇宙生命研究者亢奋不已，图中有两块巨大的红斑，显示出甲烷浓度在30ppb左右。

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未来，人类还计划了几个火星生命探索项目，首先是欧洲和美国联合的ExoMars计划，打算发射一辆漫游车前往火星，不但更进一步研究火星环境，也要试图挣脱欧洲在火星着陆器上屡战屡败的魔咒。然而，仅仅发射漫游车足够吗？

从“海盗号”探测器开始，美国宇航局一直试图通过找水来发现火星生命。但是迄今为止发射的探测器都没有找到液态水。2013年，“好奇号”对火星土壤和岩石的研究为我们带来了关于火星生命的更多信息。火星的土壤里找到了硫、氮、氢、氧、磷，还可能存在碳以及粘土矿物，这意味着火星上可能曾经存在水，甚至可能有古代的湖泊和河床，而且酸度为中性，也不太咸。“好奇号”还研究了格拉斯陨石坑，美国宇航局认为这里曾经有古代湖泊，是一个有利于微生物繁衍的地方。

当然，目前最靠谱的办法是把火星岩石和土壤样本取回地球研究，世界各大航天局都提出了采样返回的计划，但都还没有正式立项。

不过，如果对火星生命的探索依然停留在火星表面，此后的研究也未必有很大进展。因此行星科学家们建议设法钻探火星地下来寻找可能的宜居环境。

责任编辑:夏丹