1、第1页，共85页。目目 录录一、火星探测的历程与未来计划一、火星探测的历程与未来计划二、火星探测的主要成就二、火星探测的主要成就三、我国火星探测三、我国火星探测“探探”阶段的规划建议阶段的规划建议四、四、20092009年年-中俄合作火卫中俄合作火卫-1-1探测探测第2页，共85页。第3页，共85页。View Mars by Hubble Space TelescopeFlight into Mariner Valley第4页，共85页。一、火星探测的历一、火星探测的历程与未来计划程与未来计划自上世纪自上世纪6060年代首次实现火星探测开始，迄今为止，一共进行了年代首次实现火星探测开始，迄今为
2、止，一共进行了3838次火星探测，次火星探测，成功成功1717次。火星的探测取得了大量有价值的成果。次。火星的探测取得了大量有价值的成果。火星探测可以划分第一次高潮、宁静期、第二次高潮三个阶段：火星探测可以划分第一次高潮、宁静期、第二次高潮三个阶段：第一次高潮第一次高潮（1960197519601975年）：前苏联年）：前苏联“火星探测器火星探测器”系列、系列、“火星号火星号”系列系列 和和“宇宙号宇宙号”系列；美系列；美 国国1964197119641971年年“水手号水手号”系列和系列和19751975年年“海盗海盗-1-1、2”2”探测探测器。器。火星探测宁静期火星探测宁静期（19761
3、99219761992年）：约年）：约1717年时间内只有前苏联年时间内只有前苏联19881988年进行了火卫年进行了火卫1 1的探测。的探测。第二次高潮第二次高潮（19921992年年 现在）：现在）：19921992年美国发射了年美国发射了“火星观察者火星观察者”探测器，相继于探测器，相继于19961996年年发射了发射了“火星全球勘测者火星全球勘测者”探测器和探测器和“火星探路者火星探路者”探测器，特别是进入探测器，特别是进入2121世世纪以来，美国、欧空局等都实施了火星探测，并制定了详细的探测规划，目前已经纪以来，美国、欧空局等都实施了火星探测，并制定了详细的探测规划，目前已经完成发射
4、的有美国的火星完成发射的有美国的火星奥德赛轨道器勇气号奥德赛轨道器勇气号/机遇号探测器机遇号探测器，火星侦察轨道器火星侦察轨道器以以及欧空局的及欧空局的火星快车火星快车等探测器，掀起了火星探测的又一次高潮。等探测器，掀起了火星探测的又一次高潮。第5页，共85页。第6页，共85页。第7页，共85页。美国美国NASANASA近期和中期火星探测任务近期和中期火星探测任务 第8页，共85页。2009-20202009-2020年火星探测计划年火星探测计划 时间时间 任务任务主题主题200920092011201120132013201620162018201820202020备注备注寻找逝去寻找逝去生
5、命的迹生命的迹象象低纬度的低纬度的火星科学火星科学实验室实验室（MSLMSL）侦察任务侦察任务（ScoutScout）Ground Ground Breaking Breaking 火星样品火星样品采集采集(GBMSR)(GBMSR)侦察任务侦察任务（ScoutScout）天体生物天体生物学实验室学实验室和深钻和深钻侦察任务侦察任务（ScoutScout）所有的任所有的任务集中在务集中在中纬度地中纬度地区区探索热液探索热液生命环境生命环境热液沉积热液沉积区的火星区的火星科学实验科学实验室（室（MSLMSL）侦察任务侦察任务（ScoutScout）天体生物天体生物学实验室学实验室侦察任务侦察任务
6、（ScoutScout）深钻深钻侦察任务侦察任务（ScoutScout）任务集中任务集中在活性或在活性或灭绝的热灭绝的热液沉积区液沉积区域域寻找现在寻找现在生命生命北极地区北极地区的火星科的火星科学实验室学实验室（MSLMSL）侦察任务侦察任务（ScoutScout）侦察任务侦察任务返回器样返回器样品返回品返回（MSR MSR with with RoverRover）侦察任务侦察任务（ScoutScout）深钻深钻探索现代探索现代生命存在生命存在环境，风环境，风险最大险最大研究火星研究火星演化演化低纬度的低纬度的火星科学火星科学实验室（实验室（MSLMSL）侦察任务侦察任务（ScoutSco
7、ut）Ground Ground Breaking Breaking 火星样品火星样品返回返回(GBMSR)(GBMSR)上层圈气上层圈气流研究流研究观测网观测网侦察任务侦察任务（ScoutScout）建立在火建立在火星不曾有星不曾有水的基础水的基础上上第9页，共85页。第10页，共85页。ESA AuroraESA Aurora火星探测路线图火星探测路线图 第11页，共85页。21 21世纪前半叶，深空探测的主世纪前半叶，深空探测的主体走向：体走向：以月球与火星探测以月球与火星探测 为轴心为轴心的太阳系探测；主要的科学问题是的太阳系探测；主要的科学问题是：（1 1）太阳系的起源和演化；太阳系
8、的起源和演化；（2 2）地外生命的探索与生命起源；）地外生命的探索与生命起源；（3 3）地外资源、能源和特殊环境）地外资源、能源和特殊环境的利用；的利用；（4 4）空间天气与空间环境；）空间天气与空间环境；（5 5）探讨火星的长期改造与今后）探讨火星的长期改造与今后大量移民的前景。大量移民的前景。为人类社会的持续发展服务。为人类社会的持续发展服务。第12页，共85页。火星探测的主题火星探测的主题类似地球的行星类似地球的行星（1 1）与地球进行比较行星学研究和太阳系起源与演化研）与地球进行比较行星学研究和太阳系起源与演化研究；（究；（2 2）探测水体和生命的信息；探索生命起源。）探测水体和生命的
9、信息；探索生命起源。第13页，共85页。二、火星探测的主要成就二、火星探测的主要成就 通过通过4040多年的火星探测，对火星基本物多年的火星探测，对火星基本物理参数、火星空间与表面环境、大气层、电理参数、火星空间与表面环境、大气层、电离层、磁层、地形地貌与地质构造、火星表离层、磁层、地形地貌与地质构造、火星表面物质（岩石、矿物与化学元素）、火星内面物质（岩石、矿物与化学元素）、火星内部结构等方面取得了巨大的成就。部结构等方面取得了巨大的成就。第14页，共85页。主要主要气体气体微量气微量气体体1010-6-6COCO2 2N N2 24040ArArO O2 2COCOH H2 2O O95.
10、95.3 32.72.70.60.60.10.13 30.00.07 70.00.03 33939ArArNeNeKrKrXeXeO O3 35 52.52.53 30.080.080.040.040.20.2火星大气成分火星大气成分 火星大气层火星大气层第15页，共85页。火星大气层火星大气层w大气压：大气压：610610毫巴（相当于地面毫巴（相当于地面35Km35Km高度高度 ）w大气运动：大气运动：火星表面温度及气压快速波动，台风与尘暴经常发生。平均温度火星表面温度及气压快速波动，台风与尘暴经常发生。平均温度-3333o o，日温差大于，日温差大于100100o o，夏季达到，夏季达到1
11、717o o-22-22o o，冬季，冬季-123-123o o-133-133o o。火星大气层的密度和温度随高度的变化火星大气层的密度和温度随高度的变化第16页，共85页。火星大气层的温度与水蒸气分布火星大气层的温度与水蒸气分布第17页，共85页。第18页，共85页。火星全球性尘暴火星全球性尘暴第19页，共85页。火星的地形探测火星的地形探测第20页，共85页。火星的地形面貌分布明显不对称，南半球绝大部分是撞击地形，北半球高纬度地区多为撞火星的地形面貌分布明显不对称，南半球绝大部分是撞击地形，北半球高纬度地区多为撞击坑稀少的平原，与月海相似。火星给人印象最深刻的面貌是巨大的盾状火山，击坑稀
12、少的平原，与月海相似。火星给人印象最深刻的面貌是巨大的盾状火山，OlympusOlympus山直径达山直径达550550公里，比周围平原高公里，比周围平原高2525公里，是迄今发现的太阳系最大的火山机构。公里，是迄今发现的太阳系最大的火山机构。第21页，共85页。火星的地形特征火星的地形特征第22页，共85页。火星地形分类略图火星地形分类略图第23页，共85页。火星表面的成分火星表面的成分 岩石碎块、沙尘及富铁黏土覆盖，属安山岩、玄武岩的风化产物。岩石碎块、沙尘及富铁黏土覆盖，属安山岩、玄武岩的风化产物。第24页，共85页。5S,297E,2004-03-26,by G.Neukum 第25页
13、，共85页。Mssbauer spectra show jarositeOpportunity/MRO,2004-03-02small-scale cross bedding第26页，共85页。Concentrations of Mg,Al,Cl and Br versus S in rocks and soils indicates water alteration L.A.Haskin et al.,2005,Nature Letters,Vol.436第27页，共85页。在学科发展上，建立和发展火星学，比较行星学和太阳系演化学。根据月球轨道飞行器测量的结果，月球没有全球性的偶极磁场。在A
14、pollo探测中，只检测到了一个非常弱的磁场大约只有(3300)10-9 T。Groundwater sapping Nirgal vallis火星现在没有全球性偶极磁场，红色代表磁力线方向是从火星内部向外，蓝色代表磁力线方向指向火星内部。（2）地外生命的探索与生命起源；MGS TES Basalt Map超基性+基性+中性+酸性+碱性West Arabia Terra,8N,7WMOC2-316,2002-06-27月球、火星与地球演化特征比较火星的演化历史比月球复杂，但比地球简单。OMEGA confirms the TES mapping of HCPs,obtained at mode
15、rate(3 km)resolution,identifies LCPs at higher resolution(3 km)resolution,identifies LCPs at higher resolution(1 km)第57页，共85页。19971997年美国的火星探年美国的火星探路者号的着陆器用粒路者号的着陆器用粒子激发子激发X X射线谱仪对火射线谱仪对火星表面物质进行了就星表面物质进行了就位分析，发现土壤分位分析，发现土壤分析结果与海盗号相同，析结果与海盗号相同，岩石成份近似地球安岩石成份近似地球安山岩，接近地球地壳山岩，接近地球地壳的平均成份。的平均成份。火星表面土壤的化学
16、成分特征火星表面土壤的化学成分特征第58页，共85页。火星岩石成分与地球岩石成分的比较火星岩石成分与地球岩石成分的比较第59页，共85页。火星岩石成分与地球岩石成分的比较火星岩石成分与地球岩石成分的比较第60页，共85页。月球岩石月球岩石火星岩石火星岩石地球岩石地球岩石月球、火星与地球岩浆结晶过程的比较月球、火星与地球岩浆结晶过程的比较第61页，共85页。月球岩石月球岩石火星岩石火星岩石地球岩石地球岩石月球岩石月球岩石火星岩石火星岩石地球岩石地球岩石月球、火星与地球岩浆结晶过程的比较月球、火星与地球岩浆结晶过程的比较第62页，共85页。月球：超基性岩月球：超基性岩+基性岩基性岩，橄榄岩，辉长岩
17、，斜长岩，橄榄岩，辉长岩，斜长岩，玄武岩；玄武岩；火星：超基性岩火星：超基性岩+基性岩基性岩+中性岩中性岩 橄榄岩，辉长岩，闪长岩，斜长岩，橄榄岩，辉长岩，闪长岩，斜长岩，玄武玄武岩，安山岩；岩，安山岩；地球地球：超基性超基性-基性基性-中性中性-酸性酸性-碱性岩碱性岩超基性岩，斜长岩，基性岩，闪长岩，超基性岩，斜长岩，基性岩，闪长岩，花岗岩，正长岩；花岗岩，正长岩；玄武岩，安山岩，玄武岩，安山岩，流纹岩流纹岩；行星演化的成熟度：基性与超行星演化的成熟度：基性与超基性基性+中性中性+酸性，与岩浆演酸性，与岩浆演化规律相似化规律相似（极不充分，不充（极不充分，不充分，充分）分，充分）。鲍文岩浆反
18、应系列鲍文岩浆反应系列-超基性超基性-基性基性-中性中性-酸性酸性-碱性碱性第63页，共85页。根据月球轨道飞行器测量的结果，根据月球轨道飞行器测量的结果，月球没有全球性月球没有全球性的偶极磁场。的偶极磁场。在在ApolloApollo探测中，只检测到了一个非常弱的磁探测中，只检测到了一个非常弱的磁场大约只有场大约只有(3(3300)300)1010-9-9 T T。对返回地球的月球岩石样品剩磁的研究，发现对返回地球的月球岩石样品剩磁的研究，发现在在3232亿年亿年前的月球岩石具有较明显的剩余磁场强度前的月球岩石具有较明显的剩余磁场强度。表明古代月球具有偶极磁场。表明古代月球具有偶极磁场。第6
19、4页，共85页。火星现在没有全球性偶极磁火星现在没有全球性偶极磁场，红色代表磁力线方向是场，红色代表磁力线方向是从火星内部向外，蓝色代表从火星内部向外，蓝色代表磁力线方向指向火星内部。磁力线方向指向火星内部。第65页，共85页。第66页，共85页。火星的内部结构火星的内部结构火星与地球一样火星与地球一样具有圈层结构，具有圈层结构，也可以分为壳、也可以分为壳、幔和核幔和核地球和火星的核分地球和火星的核分别占整体质量的别占整体质量的3232、1919第67页，共85页。我国有能力力争在实现绕月探测之后，开展首次绕火星探测；火星现在没有全球性偶极磁场，红色代表磁力线方向是从火星内部向外，蓝色代表磁力
20、线方向指向火星内部。实施Aurora火星探测计划，预计于2033年实现载人登陆火星。1997年美国的火星探路者号的着陆器用粒子激发X射线谱仪对火星表面物质进行了就位分析，发现土壤分析结果与海盗号相同，岩石成份近似地球安山岩，接近地球地壳的平均成份。根据月球轨道飞行器测量的结果，月球没有全球性的偶极磁场。类似细菌形态微结构的非生物成因机制。自上世纪60年代首次实现火星探测开始，迄今为止，一共进行了38次火星探测，成功17次。3、研究火星地质历史时期水的演化模型；2、火星表面外动力作用如风成作用、物理和化学风化作用等过程对火星地貌的影响；（4）空间天气与空间环境；Distribution of t
21、he HCPs and LCPs on Mars(Bibring et al.表面有过很适宜的温度，有可能发育过生命。,2005,Nature Letters,Vol.火星的内部结构模式火星的内部结构模式第68页，共85页。火星中心核火星中心核由纯铁、由纯铁、14%14%硫、硫、25%25%硫、硫、37%37%硫四种组硫四种组成情况下密成情况下密度与深度的度与深度的关系关系 第69页，共85页。火星的内部结构和热历史简图火星的内部结构和热历史简图第70页，共85页。水星、金星、火星与月球的能量随时间的变化水星、金星、火星与月球的能量随时间的变化第71页，共85页。月球、火星与地球演化特征比较月
22、球、火星与地球演化特征比较半径（km）大气压磁场内部岩浆演化活动性天体生命月球1740无超基性+基性无基本终结火星33700.003-0.005多极子磁场超基性+基性-中性极弱衰老地球63701偶极子磁场超基性+基性+中性+酸性+碱性中等（火山、地震）壮年期第72页，共85页。月球月球-火星火星-地球内部演化定性比较地球内部演化定性比较月球月球火星火星地球地球表面热流表面热流极小极小小小中等中等内部结构内部结构极简单极简单简单简单复杂复杂内部均一化内部均一化极不均一极不均一不均一不均一比较均一比较均一内部能源内部能源极小极小小小中等中等演化历史演化历史31.5亿年前亿年前结束结束今后今后15亿
23、亿年年今后今后45亿亿年年第73页，共85页。火星生命之谜火星生命之谜第74页，共85页。第75页，共85页。第76页，共85页。火星生命遗迹的争论火星生命遗迹的争论磁铁矿和黄铁矿颗粒的形态及排列磁铁矿和黄铁矿颗粒的形态及排列 McKay,1996#82 碳酸盐瘤体的微结构碳酸盐瘤体的微结构多环芳烃多环芳烃(PAHs)的特征组成的特征组成McKay,1996#82 生物膜生物膜(biofilm)的微结构等。的微结构等。南极冰水的污染南极冰水的污染多环芳烃等有机物的非生物成因多环芳烃等有机物的非生物成因机制机制类似细菌形态微结构的非生类似细菌形态微结构的非生物成因机制。物成因机制。碳酸盐的高温成
24、因碳酸盐的高温成因第77页，共85页。结结 论论 根据已有的探测成果，火星曾经有过一个统一的根据已有的探测成果，火星曾经有过一个统一的偶极磁场，现演化为多极子磁场；有过浓密得多的大偶极磁场，现演化为多极子磁场；有过浓密得多的大气圈，现演化为极稀薄的大气圈；有过液态水和水的气圈，现演化为极稀薄的大气圈；有过液态水和水的地质作用，表面水圈的消失不明，尚未探测到沉积岩地质作用，表面水圈的消失不明，尚未探测到沉积岩的发育；表面有过很适宜的温度，有可能发育过生命。的发育；表面有过很适宜的温度，有可能发育过生命。早期内部有足够的热能，地质早期内部有足够的热能，地质-火山作用活跃，但缺火山作用活跃，但缺乏酸
25、性岩；火星的演化历史比月球复杂，但比地球简单。乏酸性岩；火星的演化历史比月球复杂，但比地球简单。第78页，共85页。三、我国火星探测三、我国火星探测“探探”阶段的建议：阶段的建议：我国深空探测的战略方向与发展规划必须与嫦娥一、二、三我国深空探测的战略方向与发展规划必须与嫦娥一、二、三期工程有机结合，相互促进，协调发展，形成我国统一的期工程有机结合，相互促进，协调发展，形成我国统一的深空探测国家战略与发展计划。深空探测国家战略与发展计划。我国有能力力争在实现绕月探测之后，开展首次绕火星探测；我国有能力力争在实现绕月探测之后，开展首次绕火星探测；在实现月面软着陆与月球车巡视探测（在实现月面软着陆与
26、月球车巡视探测（20122012年）的基础上，年）的基础上，可适时开展首次火星软着陆与火星车巡视探测；在实现月球可适时开展首次火星软着陆与火星车巡视探测；在实现月球自动采样返回（自动采样返回（20172017年）的基础上，发射火星软着陆器探测年）的基础上，发射火星软着陆器探测与自动采样返回）。与自动采样返回）。积极开展国际合作，使我国的火星探测融入国际主潮流。积极开展国际合作，使我国的火星探测融入国际主潮流。第79页，共85页。火星探测的科学问题火星探测的科学问题 新世纪火星探测的科学问题主要是：新世纪火星探测的科学问题主要是：（1 1）进一步探测近火星空间和火星表面的环境）进一步探测近火星空
27、间和火星表面的环境火星磁层、电离层、火星磁层、电离层、磁场和重力场的特征；磁场和重力场的特征；(2)(2)检测火星大气层的结构，成分、气象和气候特征及其变化规律，检测火星大气层的结构，成分、气象和气候特征及其变化规律，寻找过去气候变化的证据，研究火星气象与气候的演化历史及寻找过去气候变化的证据，研究火星气象与气候的演化历史及未来变化趋势；未来变化趋势；(3)(3)精细探测火星地形、地貌、地质构造、土壤与岩石的矿物与化学成分精细探测火星地形、地貌、地质构造、土壤与岩石的矿物与化学成分特征，特别是特征，特别是沉积岩的分布范围、区域、岩性和年龄，沉积岩的分布范围、区域、岩性和年龄，冰物质的分冰物质的
28、分布与变化特征，布与变化特征，火星水体产生、演化与消失过程以及现今埋藏部火星水体产生、演化与消失过程以及现今埋藏部位；位；(4)(4)火星内部结构的探测及与地球的对比研究，探讨类地行星的火星内部结构的探测及与地球的对比研究，探讨类地行星的演化史；演化史；(5)(5)寻找火星生命存在的间接证据（火星的水体与大气层的甲寻找火星生命存在的间接证据（火星的水体与大气层的甲烷）；烷）；(6)(6)在火星上建立观察站和实验室，探测火星资源。在火星上建立观察站和实验室，探测火星资源。w 第80页，共85页。我国火星探测的主要科学目标：我国火星探测的主要科学目标：1 1、基础性的系统探测：、基础性的系统探测：
29、在进行火星电离层、大气层、地形地貌、在进行火星电离层、大气层、地形地貌、地质构造、内部结构和物理场探测的基础上，地质构造、内部结构和物理场探测的基础上，获得高精度火星三维影像和勘测火星表面各获得高精度火星三维影像和勘测火星表面各类岩石的分布及其成份特征，研究火星的形类岩石的分布及其成份特征，研究火星的形成演化历史；在学科发展上，建立和发展火成演化历史；在学科发展上，建立和发展火星学，比较行星学和太阳系演化学。星学，比较行星学和太阳系演化学。第81页，共85页。火星地质演化过程及壳幔形成和演化机制研究火星地质演化过程及壳幔形成和演化机制研究1 1、火星地形地貌的特征及其随时空演化特征；、火星地形
30、地貌的特征及其随时空演化特征；2 2、火星表面外动力作用如风成作用、物理和化学风化作、火星表面外动力作用如风成作用、物理和化学风化作用等过程对火星地貌的影响；用等过程对火星地貌的影响；3 3、火星撞击成坑的大小、分布、类型及其相对地质年龄；、火星撞击成坑的大小、分布、类型及其相对地质年龄；4 4、研究火星土壤的形成机制，包括风化和成岩作用；、研究火星土壤的形成机制，包括风化和成岩作用；5 5、火星火成岩的类型、分布及其演化特征；、火星火成岩的类型、分布及其演化特征；6 6、研究火星壳表面化学成分、矿物组成岩石类型及区划特、研究火星壳表面化学成分、矿物组成岩石类型及区划特征等；征等；7 7、研究
31、火星岩石的剩磁特征，反演火星磁场的演化、研究火星岩石的剩磁特征，反演火星磁场的演化第82页，共85页。评估火星过去和现在的生命存在环境评估火星过去和现在的生命存在环境1 1、综合分析火星表面水的活动特征；、综合分析火星表面水的活动特征；2 2、探测火星次表层是否存在水体；、探测火星次表层是否存在水体；3 3、研究火星地质历史时期水的演化模型；、研究火星地质历史时期水的演化模型；4 4、研究火星上矿物、冰、气体中生命元素、研究火星上矿物、冰、气体中生命元素C,H,O,C,H,O,N,P,SN,P,S的含量、分布及其活动与转换特征；的含量、分布及其活动与转换特征；5 5、火星上是否存在可支撑生物演化的潜在能源研究。、火星上是否存在可支撑生物演化的潜在能源研究。6 6、火星碳的地球化学循环、火星碳的地球化学循环第83页，共85页。2 2、重点突破性的探测：、重点突破性的探测：1 1开展火星古海洋与古水系的研究，恢复火星的开展火星古海洋与古水系的研究，恢复火星的古地理和古环境，研究火星水体的演化特征。古地理和古环境，研究火星水体的演化特征。探测地探测地下水的埋藏位置、深度与分布。下水的埋藏位置、深度与分布。第84页，共85页。第85页，共85页。
