出品：科普中國

　　製作：haibaraemily

　　監製：中國科學院計算機網絡信息中心

　　2021年5月22日10:40，天問一號著陸後的第7天，我國首個(ge) 火星車“祝融號”緩緩駛離著陸平台，踏上火星烏(wu) 托邦平原表麵，行駛了0.522米。 

　　著陸平台與(yu) 火星車分離示意圖（上）；祝融號駛離著陸平台之前和之後的場景（下），由火星車的前後避障相機拍攝。

　　來源：航天科技集團

　　這短短一小段路程，標誌著我國正式成為(wei) 繼美國之後第二個(ge) 實現火星巡視的國家，也標誌著天問一號成為(wei) 人類首個(ge) 在一次任務中實現“繞、著、巡”三大目標的火星探測任務。 

　　開胃小菜之後，2021年6月11日，國家航天局公布了祝融號火星車拍攝的一係列“火星大片”，其中不僅(jin) 有火星車拍攝的著陸平台：

　　火星車在著陸平台東(dong) 偏南60°方向約6米距離處拍攝（注意國旗左側(ce) 的熊貓和燈籠，那個(ge) 是2022年北京冬奧會(hui) 和冬殘奧會(hui) 吉祥物）。來源：CNSA

　　還有最具裏程碑意義(yi) 的“著巡兩(liang) 器合影”——火星車通過自己車底分離出的相機，拍攝了自己和著陸平台的同框照。再一次，中國航天創造了屬於(yu) 自己的地外星球探索史詩時刻。

　　火星車行駛至著陸平台南向約10米處，從(cong) 車底釋放分離相機，擺好拍攝位置之後再回到著陸平台旁邊。分離相機拍攝的照片先傳(chuan) 給火星車，再由火星車傳(chuan) 給天問一號環繞器，由環繞器中繼傳(chuan) 回地球。來源：CNSA

　　上一次，是2019年1月11日，玉兔二號月球車與(yu) 嫦娥四號著陸器的兩(liang) 器互拍，月球車的全景相機拍攝了嫦娥四號著陸器，著陸器的地形地貌相機拍攝了月球車。

　　嫦娥四號著陸器和月球車互拍。來源：中國探月工程

　　上上一次，是2013年12月15日，玉兔號月球車與(yu) 嫦娥三號著陸器的兩(liang) 器互拍。

　　嫦娥三號著陸器和月球車互拍。來源：中國探月工程

　　相比於(yu) 曾經的兩(liang) 器互拍，這次的兩(liang) 器合影解鎖了新機位，也更加有創意，可以說是越來越會(hui) 自拍啦～

　　事實上，玉兔二號月球車至今還在月球上健康工作著，這也意味著我國是當今世界唯一一個(ge) 同時在兩(liang) 顆地外星球上擁有工作中的巡視器的國家。 

　　中國深空探測史上的新時代，已然開啟。

　　從(cong) 踏上火星表麵的那一刻，祝融號就正式開始了火星巡視探測，而在火星上空飛行的天問一號環繞器，也會(hui) 在為(wei) 火星車中繼數據之餘(yu) 開展火星遙感探測。

　　它們(men) 會(hui) 開展哪些科學探測，會(hui) 有哪些科學發現，是由它們(men) 攜帶的科學探測儀(yi) 器決(jue) 定的。

　　在前幾期介紹了天問一號的準備工作、發射和著陸之後，這期將全麵介紹一下天問一號和祝融號帶了哪些“裝備”（科學儀(yi) 器），以及它們(men) 的科學探測目標。

　　天問一號整體(ti) 外形。來源：航天科技集團

　　整體(ti)  

　　天問一號總重約5噸，由環繞器和著陸巡視組合體(ti) 兩(liang) 部分組成，著陸巡視組合體(ti) 包括著陸平台和火星車祝融號兩(liang) 部分，兩(liang) 者都打包裝在氣動外罩內(nei) 。環繞器重約3175千克，著陸器重約1585千克，火星車祝融號重約240千克。

　　防止有些讀者看暈，這裏再多說一句：環繞器、著陸平台和火星車，都是天問一號的成員，隻是“天問一號的火星車”這個(ge) 成員自己還另外有個(ge) 名字叫“祝融號”，就像“嫦娥四號的中繼星”另外有個(ge) 名字叫“鵲橋號”，“嫦娥四號的月球車”另外有個(ge) 名字叫“玉兔二號”一樣。

　　天問一號的各部分。來源：CNSA

　　天問一號的氣動外罩和著陸平台隻負責進入火星大氣層、下降和著陸（EDL），沒有攜帶科學儀(yi) 器。環繞器攜帶7種科學儀(yi) 器。火星車攜帶6種科學儀(yi) 器 [1, 2]。

　　天問一號環繞器和火星車的科學載荷。來源： 參考文獻 [1, 2]

　　注意，這裏說的都是“科學”儀(yi) 器，事實上探測器還會(hui) 攜帶諸多工程儀(yi) 器，例如避障相機、監視相機、星敏感器、慣導裝置等等。開頭火星車駛離著陸平台的照片，就是工程儀(yi) 器（避障相機）拍攝的。

　　火星車計劃開展約90個(ge) 火星日的巡視探測，在此期間，環繞器會(hui) 停留在通訊中繼軌道（近火點265公裏、遠火點12500公裏，周期約8.2個(ge) 小時），為(wei) 火星車和地球傳(chuan) 遞信息和數據。

　　之後，環繞器會(hui) 降軌至科學探測軌道（近火點265公裏、遠火點12000公裏），計劃在這個(ge) 軌道上對火星全球展開1個(ge) 火星年（約2個(ge) 地球年）的近距離遙感探測，同時可以兼顧火星車的數據通訊。

　　天問一號的任務安排。改編自：參考文獻 [3]

　　環繞器的科學儀(yi) 器 

　　環繞器共攜帶了7種科學儀(yi) 器：① 中分辨率相機（MoRIC）、② 高分辨率相機（HiRIC）、③ 礦物光譜分析儀(yi) （MMS）、④ 次表層探測雷達（MOSIR）、⑤ 磁強計（MOMAG）、⑥ 離子與(yu) 中性粒子分析儀(yi) （MINPA）和 ⑦ 能量粒子分析儀(yi) （MEPA）。

　　天問一號環繞器的組成和儀(yi) 器。來源：WLR2678

　　中分辨率相機（MoRIC）和 高分辨率相機（HiRIC） 

　　天問一號環繞器共攜帶了兩(liang) 個(ge) 光學相機：① 中分辨率相機（優(you) 於(yu) 100米/像素@400千米高度）和 ② 高分辨率相機（局部分辨率優(you) 於(yu) 0.5米/像素@265千米高度），中分辨率相機可以拍攝彩色照片，高分辨率相機可以拍攝全色（黑白）和彩色照片。

　　天問一號環繞器的中分辨率相機（左）和高分辨率相機（右）

　　來源：參考文獻 [2]

　　光學相機是諸多深空探測器的標配，我們(men) 看到的許多火星美圖，都是火星勘測軌道飛行器（MRO）、火星快車、火星全球探勘者號（MGS）等探測器的相機拍攝的。

　　現有火星探測器光學相機代表。來源：NASA、ESA

　　天問一號環繞器搭載了兩(liang) 種不同分辨率的相機，這是目前國內(nei) 外環繞器所常用的配置方式。因為(wei) 對環繞器來說，拍攝更高清的照片和一次性拍攝更大一片區域難以同時滿足：分辨率高的相機視野小，分辨率低的相機視野大。以天問一號為(wei) 例，環繞器的中分辨率相機一張照片可以拍到400千米寬的區域，而高分辨率相機一張照片隻能拍出9千米寬的區域。

　　天問一號環繞器光學相機參數。來源：參考文獻 [1, 2]

　　通用的解決(jue) 方法就是探測器同時攜帶兩(liang) 個(ge) 不同分辨率的相機一起工作：用中分辨率相機來快速獲得大視野內(nei) 的整體(ti) 情況，尋找值得進一步仔細探測的區域；用高分辨率相機專(zhuan) 注於(yu) 拍攝某一小塊想要重點觀測區域的細節。

　　火星勘測軌道飛行器中分辨率（CTX）和高分辨率（HiRISE）相機圖幅和分辨率對比。來源：行星事務所/haibaraemily

　　目前火星拍照的主力探測器之一火星勘測軌道飛行器（MRO）就是采樣用了這種雙分辨率相機協同工作的配置：中分辨率相機（CTX）分辨率6米/像素，圖幅30千米寬，高分辨率相機（HiRISE）分辨率0.3-0.5米/像素，圖幅6千米寬（@ 300千米高）——後者也是天問一號之前唯一能拍攝優(you) 於(yu) 米級分辨率火星影像的相機。

　　MRO的CTX和HiRISE相機。來源： NASA

　　不止火星探測器，大名鼎鼎的月球勘測軌道飛行器（LRO）的寬角（WAC）和窄角（NAC）相機、卡西尼號的寬角（WAC）和窄角（NAC）相機均采用類似的策略。

　　雙分辨率相機協同工作的模式。來源：NASA

　　這是天問一號環繞器中分辨率相機拍攝的火星北極區域。

　　2021年3月4日發布。來源：CNSA

　　這是天問一號環繞器高分辨率相機拍攝的火星表麵，分辨率達0.7米/像素（@ 330-350千米高度），與(yu) 目前最高清的HiRISE相機分辨率達同一量級。 

　　2021年3月4日發布，拍攝區域距祝融號著陸點約30千米，可以看出大量地形地貌細節 。來源： CNSA

　　環繞器的高分相機還拍到了著陸平台、祝融號火星車和著陸組件在火星上的照片，幾米大小的組件也能盡收眼底。

　　2021年6月7日公布的天問一號著陸前後對比圖，可以看到祝融號火星車、著陸平台和其他著陸組件對著陸區的影響。來源：CNSA

　　由於(yu) 高分辨率相機的圖幅限製，目前火星優(you) 於(yu) 米級的高分辨率影像覆蓋的區域還非常有限。天問一號高分辨率相機的加入，有望讓我們(men) 看到火星更多區域的高清照片。

　　火星礦物光譜分析儀(yi) （MMS） 

　　“光譜”探測是一種常用的遙感探測手段。不同物質反射/輻射光的特征是不同的，結果就是含有某種物質的反射/輻射光譜圖像在某些特定的波段會(hui) 表現出明顯的吸收/輻射帶。這是科學家們(men) 在不能親(qin) 身前往的外太空裏尋找某種物質時搜尋的“指紋”。

　　無論是環繞器搭載的光譜儀(yi) 還是巡視器（火星車）搭載的光譜儀(yi) ，本質來說都是通過觀測目標區域反射/輻射光譜中的特征，來探測星球表麵含有哪些礦物，分布是什麽(me) 樣的——區別隻是不同光譜儀(yi) 的探測頻段和分辨率有所差異，可能探測到的物質成分也就相應有所差異。

　　天問一號環繞器礦物光譜儀(yi) 參數和外形。來源：參考文獻 [1, 2]

　　天問一號環繞器攜帶的礦物光譜儀(yi) 探測頻段在可見光到中紅外範圍（0.45-3.4 μm），這個(ge) 波段的光譜儀(yi) 在火星環繞器上也比較常見，例如火星快車上搭載的OMEGA成像光譜儀(yi) （0.5 - 5.2 μm）、火星勘測軌道飛行器（MRO）搭載的CRISM成像光譜儀(yi) （0.36 - 3.92 μm）也都覆蓋了相似的波段範圍。

　　OMEGA光譜儀(yi) （ 左）和CRISM光譜儀(yi) （右）的工作原理示意。

　　來源：ESA、NASA

　　這個(ge) 波段內(nei) 可能探測到多種形式的水以及與(yu) 水有關(guan) 的礦物，例如：諸多水合礦物（富鐵、鎂、鋁的層狀矽酸鹽等）的反射光譜在1.4、1.9、2.2、2.3、2.4 μm處有有V型特征吸收帶；水冰的反射光譜在1.3、1.5、2.0和3.2 μm處有V型特征吸收帶，之前介紹過的科學家們(men) 在火星中緯區域發現的水冰，在月球南北極發現的水冰，都是借助這種光譜特征發現的。當然，其他在這一範圍內(nei) 有吸收特征的物質也有可能被探測到。

　　火星勘測軌道飛行器（MRO）搭載的光譜儀(yi) CRISM在火星中緯區域地表之下發現水冰的“指紋”（1.65 μm處的尖峰是儀(yi) 器問題）。

　　改編自：參考文獻 [4]

　　這是OMEGA成像光譜儀(yi) 和CRISM成像光譜儀(yi) 在火星表麵探測到的水合礦物分布，天問一號也可能探測到這類礦物。這些礦物的含量和分布可以幫助我們(men) 追溯火星的地質演化曆史和水環境變遷。

　　OMEGA光譜儀(yi) （藍點）、CRISM光譜儀(yi) （紅點）和兩(liang) 者聯合（黃點）探測到的火星表麵水合礦物分布。來源：參考文獻 [5]

　　次表層探測雷達（MOSIR） 

　　不同物質的介電常數（可以簡單理解為(wei) 讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測器收到的從(cong) 不同物質分界麵反射回來的電磁波的時間和強度就會(hui) 不同。次表層雷達的探測原理就是通過發射和接收電磁波信號，借助測量到的雷達信號接收時間和反射強度，反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質，每層物質有多厚。

　　對火星來說，次表層雷達尤其可以用來探測地表下的水冰層、冰層下的液態水這類有著迥異介電常數的物質分層，也在過去2艘火星環繞器上有過成功的應用：火星快車號的雷達MARSIS和火星勘測軌道飛行器（MRO）的雷達SHARAD都取得過重要科學成果。

　　火星快車號三根展開20米長的雷達天線（左）；火星勘測軌道飛行器的兩(liang) 根10米雷達天線（右）。來源： ESA、NASA

　　我們(men) 2018年介紹過的火星南極冰層之下發現的疑似液態水湖，就是借助火星快車號搭載的次表層雷達發現的。

　　測地雷達探測淺表層結構（此處是冰層下的液態水）的原理示意圖。

　　改編自：參考文獻 [6]

　　天問一號的環繞器的次表層雷達共包含5根天線：4根5米長的主天線安裝在飛行方向的底部，構成兩(liang) 組正交偶極天線組；1根1.2米長的單級甚低頻接收天線（VLF）位於(yu) 飛行個(ge) 方向的側(ce) 邊 [7]。4根雷達天線的正交分布方式與(yu) 已有的火星快車號MARSIS雷達和火星勘測軌道飛行器（MRO）的SHARAD雷達都不同。甚低頻射電接收天線（VLF）雖然和雷達天線一體(ti) 化設計，但主要服務於(yu) 與(yu) 後麵講到的火星磁強計、火星離子與(yu) 中性粒子分析儀(yi) 、火星能量粒子分析儀(yi) 一同探測火星的空間環境。

　　天問一號環繞器上雷達天線的分布：底端2根Y向天線（Y ANT）和2根X向天線（X ANT）大致垂直，Z向的甚低頻天線（VLF ANT）位於(yu) 飛行姿態的側(ce) 邊。來源：參考文獻 [7]

　　天問一號環繞器上的次表層雷達主要探測目標也是與(yu) 火星生命有關(guan) 的水冰和液態水分布，相比於(yu) 祝融號火星車上的次表層雷達，環繞器雷達的探測深度較深，可達土壤100米，冰層1000米深。 

　　天問一號環繞器次表層雷達外形和參數 | 參考文獻 [7]

　　天問一號次表層雷達探測到的成果可能以什麽(me) 樣的方式呈現？當探測到地下有“異常”區域時，雷達圖像中會(hui) 表現為(wei) “亮線”。次表層雷達剖麵圖裏的亮暗體(ti) 現的是回波信號的強弱，並不是實際的地下剖麵照片，即分界麵的亮線對應著雷達反射強度較高的區域。

　　金星快車號次表層雷達探測到的火星南極層狀堆積層結構，雙程脈衝(chong) 走時是雷達信號從(cong) 發出到接收的時間（往返）。改編自：參考文獻 [8]

　　火星磁強計（MOMAG）、離子與(yu) 中性粒子分析儀(yi) （MINPA）和能量粒子分析儀(yi) （MEPA） 

　　天問一號環繞器的這三個(ge) 儀(yi) 器主要探測目標都是火星的空間環境，包括火星的周圍的磁場、誘導磁層、太陽風與(yu) 火星高層大氣/電離層之間的相互作用等方麵。

　　火星沒有地球、水星那樣內(nei) 部自發的偶極磁場（專(zhuan) 業(ye) 點叫“內(nei) 稟磁場”），但火星有大氣層和電離層。電離層與(yu) 太陽風的相互作用造就了火星如今的空間環境；再加上火星的殼層還有一些不對稱分布的剩磁，這讓太陽風與(yu) 火星的相互作用變得更加複雜了一點。

　　太陽風與(yu) 火星相互作用示意圖。來源：參考文獻 [9]

　　通過對不同空間位置處的火星磁場、離子與(yu) 中性粒子、能量粒子等方麵的探測，可以幫助我們(men) 了解火星內(nei) 部結構和磁場的演化、太陽風與(yu) 火星高層大氣/電離層之間的相互作用、火星大氣的散逸變遷等諸多謎團。 

　　已經退役的NASA火星全球探勘者號（MGS），曾對火星殼層的剩磁分布做過全球考察。而如今和天問一號為(wei) 伴、同樣致力於(yu) 探究這些謎團的在軌探測器，還有火星快車號、火星奧德賽號和MAVEN探測器。不過這些探測器的探測軌道不同，攜帶的探測儀(yi) 器也有一定差異，不同軌道的多個(ge) 探測器成果可以互為(wei) 驗證和補充。例如MAVEN的工作軌道在近火點約150公裏，遠火點在約4500-6000公裏高度，而天問一號計劃的科學探測軌道（近火點265公裏、遠火點12000公裏）距離火星更遠一些。

　　MAVEN的探測軌道示意圖。來源：NASA/GSFC

　　天問一號環繞器的磁強計整體(ti) 為(wei) 伸杆式，兩(liang) 個(ge) 磁通門探頭安裝在一根3米長的伸杆上。伸杆的作用是讓探頭遠離探測器主體(ti) ，減小探測器本底剩磁對探頭想要探測的空間磁場的影響。

　　天問一號環繞器磁強計伸杆壓緊狀態（左）和地麵展開試驗（右）

　　來源：中國科學技術大學

　　磁強計參數（下）。來源：參考文獻 [1, 2]

　　這種設計與(yu) NASA的水手4號、歐空局的金星快車號任務搭載的磁強計相似，與(yu) 之不同的另一種常見設計是直接把探頭安裝在兩(liang) 側(ce) 太陽能板邊緣，這樣也能讓探頭遠離探測器主體(ti) ，例如火星全球探勘者號（MGS）和MAVEN的磁強計。

　　金星快車號磁強計（上）來源：ESA；火星全球探勘者號（MGS）和MAVEN的磁強計位置（下）。來源：NASA

　　值得一提的是，這是我國首次在深空探測任務裏搭載磁強計，之前的嫦娥係列探測器均沒有搭載過磁強計。

　　離子與(yu) 中性粒子分析儀(yi) （MINPA）和能量粒子分析儀(yi) （MEPA）負責探測火星周圍的各種低能和高能粒子（低能離子、低能中性粒子、電子、質子、α粒子、重離子）。

　　離子與(yu) 中性粒子分析儀(yi) （MINPA）和能量粒子分析儀(yi) （MEPA）的外形和參數。來源：參考文獻 [1, 2]

　　兩(liang) 種儀(yi) 器與(yu) 環繞器上的磁強計、甚低頻射電接收設備攜手，可以獲取火星周圍多種粒子的空間分布，幫助我們(men) 全麵係統地研究火星高層大氣、電離層及其與(yu) 太陽風的相互作用，揭示火星空間環境變化特征與(yu) 演化規律。 

　　祝融號火星車的科學儀(yi) 器 

　　祝融號火星車重240公斤，完全展開時長2.6米、寬3米、高1.85米。祝融號共攜帶了6種科學儀(yi) 器：① 導航與(yu) 地形相機（NaTeCam）、② 多光譜相機（MSCam）、③ 火星表麵成分探測儀(yi) （MarSCoDe）、 ④ 次表層雷達（RoPeR）、⑤ 火星表麵磁場探測儀(yi) （RoMAG）和⑥ 火星氣象站（MCS）。

　　祝融號火星車科學儀(yi) 器位置v3.1全新版本。來源：參考文獻 [2]

　　導航與(yu) 地形相機（NaTeCam） 

　　祝融號的一對導航與(yu) 地形相機位於(yu) 火星車桅杆頂端，就像火星車的“雙眼”，可以拍攝沿途火星表麵的彩色立體(ti) 照片，探測火星的地形起伏，同時為(wei) 火星車的導航提供支持。

　　祝融號導航與(yu) 地形相機的參數和外形。來源：參考文獻 [1, 2]、CNSA

　　在桅杆頂端配置導航與(yu) 地形相機，幾乎是目前火星車的標配。勇氣、機遇、好奇號火星車均采用了在桅杆頂端配備1對用於(yu) 導航的導航相機和1-2對用於(yu) 考察地形的桅杆相機/全景相機，天問一號的導航與(yu) 地形相機也承擔了相同的使命。

　　火星車安裝在桅杆上的相機對比。來源： haibaraemily、NASA

　　這是祝融號還沒從(cong) 著陸平台上下來的時候，導航與(yu) 地形相機的360度環拍照，拍到了火星車自己、著陸平台的滑軌、以及著陸區周圍的火星景色。

　　著陸點全景圖。來源：CNSA

　　在接下來的火星旅程中，導航與(yu) 地形相機會(hui) 成為(wei) 祝融號的“旅拍”主力，給我們(men) 帶來源源不斷的火星新風景。

　　2015年4月10-11日，好奇號火星車桅杆相機拍攝的火星景色，祝融號的導航與(yu) 地形相機在旅途中也會(hui) 不斷拍攝各種火星景色。

　　來源：NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA19803

　　多光譜相機（MSCam）和表麵成分探測儀(yi) （MarSCoDe) 

　　祝融號的多光譜相機和表麵成分探測儀(yi) 都負責探測和分析火星表麵的岩石類型、礦物成分。

　　祝融號多光譜相機的參數和外形。來源：參考文獻 [1, 2]

　　同導航與(yu) 地形相機一樣，祝融號的多光譜相機也安裝在桅杆頂部，可以拍攝火星車沿途多個(ge) 固定波段下的影像。多光譜相機和前麵說到的光譜儀(yi) 有相似之處，主要原理都是利用“光譜”這種“指紋”來探知不同成分物質的分布。隻不過，光譜儀(yi) 不一定成像（能成像的光譜儀(yi) 也叫“成像光譜儀(yi) ”），而多光譜相機/成像光譜儀(yi) 會(hui) 拍攝影像，這可以大大提升光譜數據的空間分辨率，相當於(yu) 能快速獲得一大塊麵積裏某種礦物成分的空間分布。

　　多光譜相機和高光譜相機的主要區別在於(yu) 成像譜段的數量和寬窄：利用濾光設備，多光譜相機通常隻會(hui) 在想要探測的波段範圍內(nei) 選取3-10個(ge) 譜段進行成像，而高光譜相機則會(hui) 有許許多多譜段，一定程度上來說和成像光譜儀(yi) 是差不多的——前麵說到的OMEGA成像光譜儀(yi) 和CRISM成像光譜儀(yi) 本質上就是高光譜相機。

　　多光譜成像（左）；高光譜成像（右）。改編自：參考文獻 [10] 

　　但另一方麵，多光譜相機隻會(hui) 在固定幾個(ge) 光譜頻段拍攝影像，這會(hui) 損失一定的光譜分辨率，因此主要用於(yu) 探測幾種固定的目標礦物。

　　典型的例子是日本月亮女神號（Kaguya）月球探測器的多光譜相機（MI），共有九個(ge) 成像譜段：415, 750, 900, 950, 1001 nm（紫外可見光波段）和1000, 1050, 1250, 1550 nm（近紅外波段），主要用於(yu) 探測月球上斜長石、橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和氧化鐵這幾種礦物的分布。

　　月亮女神號多光譜相機獲取的月球氧化鐵的質量分布。

　　來源：Quickmap/MI

　　祝融號的多光譜相機共有9個(ge) 成像譜段：480、525、650、700、800、900、950、1000 nm和全色波段，涵蓋可見光到近紅外波段範圍。與(yu) 之探測相似波段範圍的勇氣號、機遇號火星車全景相機（PanCam，400 - 1100 nm內(nei) 多個(ge) 譜段），主要用於(yu) 探測火星表麵的鐵氧化物、含鐵矽酸鹽等與(yu) 火星水環境和地質演化緊密相關(guan) 的礦物。

　　勇氣號、機遇號火星車全景相機（PanCam）外形（左）和可能探測到的含鐵礦物示例（右）。來源：NASA、參考文獻 [11]

　　祝融號的表麵成分探測儀(yi) 包含兩(liang) 種儀(yi) 器：激光誘導擊穿光譜探測儀(yi) （LIBS）和短波紅外光譜探測儀(yi) 。短波紅外光譜儀(yi) 沒啥新鮮的，前麵都說了好幾種光譜儀(yi) 了，隻是這個(ge) 光譜儀(yi) 的探測波段在短波紅外波段（0.85-2.4 μm），與(yu) 火星車上的多光譜相機波段有所不同，可以互為(wei) 補充。

　　另一項激光誘導擊穿光譜儀(yi) （LIBS）就更加炫酷了：通過向目標物發射高能激光脈衝(chong) ，探測燒蝕激發出的等離子體(ti) 冷卻過程中的特征發射光譜，進而遠程探測出目標物的元素成分組成信息。簡單來說，這是一個(ge) “哪裏不懂點哪裏”的“激光炮”。

　　祝融號多光譜相機的參數、外形和位置。來源：參考文獻 [1, 2]、CNSA

　　祝融號的LIBS能探測出目標物中包括矽、鋁、鐵、鎂、鈣、鈉、氧、碳、氫、錳、鈦、硫在內(nei) 的十多種元素，這也是我國第一次將該技術用於(yu) 深空探測。在此之前，NASA好奇號的化學相機（ChemCam）、毅力號的超級相機（SuperCam）都在火星驗證過這項“高能”技術的科學價(jia) 值。

　　好奇號化學相機（ChemCam）工作示意圖（左）；化學相機的LIBS探測前後對比，可見激光燒蝕痕跡（右）；2012年8月19日，好奇號化學相機在首個(ge) 目標中探測到的化學成分，這塊拳頭大小的石頭被取名為(wei) “Coronation”（下）。來源：NASA/JPL-Caltech

　　次表層探測雷達（RoPeR） 

　　火星車的次表層雷達基本原理與(yu) 環繞器搭載的次表層雷達相似，也是通過主動發射和接收電磁波信號來探測火星車沿途地下的淺表層結構，例如風化層厚度、濺射物層、水冰分布等。

　　次表層雷達的工作原理.來源：中科院電子所

　　相比於(yu) 天問一號環繞器的次表層雷達（探測深度為(wei) 土壤≥100米，水冰≥1000米），祝融號火星車次表層雷達的電磁波頻率更高，可以以更高的分辨率精細探測火星車沿途地下更淺表層的結構（土壤≥3-10米，水冰≥10-100米）。

　　祝融號次表層雷達的參數和外形。來源：參考文獻 [2] 

　　與(yu) 玉兔號、玉兔二號的測月雷達相似，祝融號也搭載了2個(ge) 不同頻率的次表層雷達，高頻雷達探測淺部，低頻雷達探測深部，這樣可以兼顧探測深度和探測分辨率。區別是兩(liang) 艘玉兔號的高低頻次表層雷達分別安裝在月球車的底部和後部，祝融號的高低頻次表層雷達均安裝在火星車前部。 

　　祝融號的和玉兔號的次表層雷達位置。來源：haibaraemily、CNSA 

　　除了祝融號和天問一號的環繞器，同期發射的NASA的毅力號火星車也攜帶了次表層雷達（RIMFAX），而在此之前，還沒有火星著陸器或火星車攜帶過次表層雷達，這也讓本次兩(liang) 輛火星車雷達的探測成果尤為(wei) 令人期待。 

　　毅力號和天問一號環繞器的次表層雷達。來源：NASA、CNSA 

　　綜合分析多個(ge) 雷達的探測數據，可以幫助我們(men) 了解火星上不同區域、不同深度的次表層結構。 

　　火星表麵磁場探測儀(yi) （RoMAG） 

　　祝融號火星車攜帶了2個(ge) 相同的三軸磁通門探頭（磁強計傳(chuan) 感器），分別安裝在桅杆的頂端和底端，負責探測火星近地表的磁場強度。這也是首個(ge) 火星表麵可移動的磁場探測儀(yi) 器。 

　　祝融號次表層雷達的參數、位置、傳(chuan) 感器的結構和封裝後的外觀。 

　　來源：參考文獻 [2, 12, 13] 

　　前麵說過，之前的火星環繞器早就遠遠探知火星的殼層還有一些剩磁。這些剩磁是如何形成和演化的，可能與(yu) 火星的內(nei) 部結構和演化有關(guan) ，但之前還沒有火星車貼近火星表麵直接測量過火星殼層磁場。祝融號的直接測量結果既能幫助我們(men) 了解火星殼層剩磁的信息，也能與(yu) 天問一號環繞器攜帶的磁強計探測結果相結合，幫助我們(men) 更全麵地了解太陽風與(yu) 火星高層大氣/電離層的相互作用。 

　　火星全球探勘者號（MGS）在400公裏高處獲取的火星殼層磁場分布，火星剩磁有著明顯的南北不對稱性，主要分布在南半球。來源：參考文獻 [14] 

　　火星氣象站（MCS）　　 

　　祝融號在火星車的桅杆頂部和甲板前端兩(liang) 處安裝了風、聲傳(chuan) 感器和溫、壓傳(chuan) 感器，使之成為(wei) 了一個(ge) 可移動的火星氣象站，可以長期觀測火星車附近的氣溫、氣壓、風速、風向和聲音信息。火星氣象站積累的這些氣象參數，可以幫助我們(men) 我們(men) 了解火星如今的氣象狀況，追溯火星的氣候變化曆史。 　　

    祝融號的火星氣象站參數、外形和位置。來源：參考文獻 [1, 2] 

　　火星氣象站是火星著陸任務的常備組件，如今正在火星表麵工作的好奇號火星車、洞察號著陸器、毅力號火星車都在長期記錄和播報著所在地的氣象數據。隨著祝融號的加入，火星氣象網自此又新增了一個(ge) 移動氣象站點呢~ 

　　目前正在工作中的三個(ge) 火星移動/固定氣象站。來源：NASA [15] 

　　總的來說，天問一號計劃對火星開展的科學探測涉及到火星的方方麵麵，外至火星的空間環境、火星表麵，內(nei) 至火星的次表層、水冰和液態水分布、物理場和內(nei) 部結構，環繞器+火星車這13種科學儀(yi) 器都可以“一網打盡”。 

　　還是很全麵滴.jpg 

　　值得一提的是，90個(ge) 火星日是祝融號的設計壽命，但並不意味著實際工作時長的上限。如果火星車能保持供電、保暖、行駛、通訊和健康工作，那實際工作的壽命完全可能很長。事實上，同樣使用太陽能供電的勇氣、機遇號火星車設計壽命也是90個(ge) 火星日，但兩(liang) 輛火星車實際分別工作了5年和14年。 

　　天問一號環繞器更是如此，完全可能遠超1個(ge) 火星年（也就是約2個(ge) 地球年）的設計壽命，長長久久地環繞著火星工作著，源源不斷地為(wei) 我們(men) 帶來新的科學發現。 

　　讓我們(men) 一起期待和見證吧。 

　　致謝 

　　本文感謝Planetary Utopia群友們(men) 對本文提升所做的幫助~ 

　　參考資料： 

　　[1] 李春來，劉建軍(jun) ，耿言，等. 中國首次火星探測任務科學目標與(yu) 有效載荷配置[J]. 深空探測學報，2018，5（5）：406-413. 

　　[2] Zou, Y., Zhu, Y., Bai, Y., Wang, L., Jia, Y., Shen, W., ... & Peng, Y. (2021). Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission. Advances in Space Research, 67(2), 812-823. 

　　[3] Ye P J, Sun Z Z, Rao W, et al. Mission overview and key technologies of the first Mars probe of China. Sci China Tech Sci, 2017, 60: 649–557, doi: 10.1007/s11431-016-9035-5 

　　[4] Dundas, C. M., Bramson, A. M., Ojha, L., Wray, J. J., Mellon, M. T., Byrne, S., ... & Clark, E. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199-201. 

　　[5] Carter, J., Poulet, F., Bibring, J. P., Mangold, N., & Murchie, S. (2013). Hydrous minerals on Mars as seen by the CRISM and OMEGA imaging spectrometers: Updated global view. Journal of Geophysical Research: Planets, 118(4), 831-858. 

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　　[8] Orosei, R. O. B. E. R. T. O., Lauro, S. E., Pettinelli, E., Cicchetti, A. N. D. R. E. A., Coradini, M., Cosciotti, B., ... & Seu, R. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science, 361(6401), 490-493. 

　　[9] Brain, D. A. (2021). Induced Magnetospheres: Atmospheric Escape. Magnetospheres in the Solar System, 441-451. 

　　[10] Giannoni, L., Lange, F., & Tachtsidis, I. (2018). Hyperspectral imaging solutions for brain tissue metabolic and hemodynamic monitoring: past, current and future developments. Journal of Optics, 20(4), 044009. 

　　[11] Bell III, J. F., Squyres, S. W., Herkenhoff, K. E., Maki, J. N., Arneson, H. M., Brown, D., ... & Wadsworth, M. (2003). Mars exploration rover Athena panoramic camera (Pancam) investigation. Journal of Geophysical Research: Planets, 108(E12). 

　　[12] 趙琳，杜愛民，喬(qiao) 東(dong) 海，等. 火星車磁通門磁強計技術[J]. 深空探測學報，2018，5(5):472-477. 

　　[13] Du, A. M., Zhang, Y., Li, H. Y., Qiao, D. H., Yi, Z., Zhang, T. L., ... & Dai, J. L. (2020). The Chinese Mars ROVER Fluxgate Magnetometers. Space Science Reviews, 216(8), 1-15. 

　　[14] Connerney, J. E. P., Espley, J., Lawton, P., Murphy, S., Odom, J., Oliversen, R., & Sheppard, D. (2015). The MAVEN magnetic field investigation. Space Science Reviews, 195(1), 257-291. 

　　[15] https://mars.nasa.gov/msl/weather/https://mars.nasa.gov/insight/weather/ 

　　https://mars.nasa.gov/mars2020/weather/ 

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