地球“极客”勇探火星—新闻—科学网

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■本报记者冯丽妃

凌晨两点的会议室，见底的勇探咖啡杯在会议桌上围了一圈，计算机屏幕的火星光映衬着十几双布满血丝的眼睛。但围桌而坐的新闻人们却很兴奋，边研读文献，科学边讨论怎么有效提取数据，极客解码火星环境。地球

“那段时间真是勇探跟打仗一样。”近4年前火星科学任务攻关时的火星场景，陈凌历历在目。新闻

2021年5月，科学我国首次火星探测任务天问一号携带的极客“祝融号”火星车，着陆在火星乌托邦平原上，地球吹响了中国人用自己的勇探深空探测装置研究火星的“集结号”。陈凌等来自中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）、中国科学院国家天文台（以下简称国家天文台）的科研人员也投身其中。

研究人员从“地球科学极客”化身“星际解密人”，纷纷拿出看家本领，通过“多兵种联合作战”，用中国自主数据刷新了对火星环境演变的认知。近期，他们的系列突破性成果斩获2024年度中国科学院杰出科技成就奖。

用“绝活儿”刷新认知

火星与地球是太阳系宜居带“唯二”的行星。从高山峡谷到四季变化，在太阳系行星中，火星与地球共性最多。这颗红色星球上是否存在生命？问题的答案令人心驰神往，而火星水活动、磁场变化等信息是重要线索。

一直以来，科学界对火星水活动和磁场的认知存在矛盾。

科学界普遍认为，约36亿年前的火星存在大量水活动，此后迅速减少，约30亿年前几乎消失；火星内部磁场约在40亿年前消失，后在39亿年前被重新磁化，并在约37亿年前再度消失。

“从过去的认知来看，磁场会保护水，磁场消失后，水也会逃逸。火星磁场反而比水消失得更早，这不合理。”陈凌说。

矛盾背后的原因是什么？陈凌与合作者组成多学科融合的“星际战队”，采用雷达探测、地貌分析和磁场测量等多维手段，构建了“地下-地表-空间”三位一体的协同体系，研究火星多时间尺度环境演变。

针对我国首次火星探测任务中的重重难题，他们纷纷拿出“绝活儿”，各显神通，拿下火星研究的3个“国际首次”。

担任火星地下结构探测组组长的陈凌是一名“行星CT学家”，曾创新地震成像方法，解析地球大陆内部、边缘造山带等区域的深部精细结构。她的搭档、地质地球所研究员张金海是一名探地雷达“密码破译师”，长期处理和分析嫦娥探月工程相关数据。他们联手破解了行星雷达弱信号提取、高精度成像和建模仿真等系列难题，让雷达不再因火星表面碎石块干扰而成为“近视眼”，“首次”揭示了火星浅表80米内的分层结构。这些创新方法证实，火星在35亿年前至32亿年前曾发生大型洪水活动，16亿年前仍有小型洪水事件发生，将火星水活动时间延长了近14亿年。

张金海凭借对雷达信号的敏锐“洞察力”，进一步察觉到在30至80米深度还存在结构的横向变化。他与陈凌等分析证实，这种结构的横向变化反映了埋藏在地下的古多边形地貌特征，是32亿年前至16亿年前火星发生长时间气候干湿、冷暖变化的见证。

在火星地貌研究方面，地质地球所研究员秦小光和国家天文台研究员刘建军组成了黄金搭档。秦小光是一名古环境“侦探”，曾分析过数万个地球沉积物样品，擅长通过微观特征还原古环境变迁。刘建军是一名“行星数据守门人”，从嫦娥一号至今，带队创立了载荷地面验证、行星环境模拟、载荷在轨定标等一系列保证数据真实性和有效性的方法。他们的合作“首创”了用火星沙丘了解水活动的新方法。

秦小光仍记得那个激动人心的时刻：2021年，在国家天文台运控大厅与刘建军等一起查看“祝融号”传回的照片时，一张多光谱照片让大脑突然“嗡”了一下，他赶紧喊“停一下”。

凭借在罗布泊工作20多年的经验，秦小光敏锐注意到沙丘上的一些特征——多边形龟裂、带状痕迹和胶结团粒，这些极可能是水留下的“指纹”。后续研究证实，火星在140万年前至40万年前仍存在由大气降霜、降雪形成的周期性水活动，这是人类“首次”发现火星现代水循环的直接证据。

在另一项突破性的“姊妹”研究中，刘建军和秦小光通过分析2000多个沙丘的遥感图像，发现火星在约40万年前曾发生“冰期-间冰期”全球性气候转变，为火星气候模拟提供了重要约束。

火星磁场探测则面临更严峻的挑战——火星车行驶时的干扰信号比有效磁场信号强1万倍，犹如“在摇滚演唱会现场聆听针尖落地”。地质地球所研究员杜爱民是火星磁场“捕手”，作为“祝融号”磁场探测仪的研制负责人，他带领团队创新性地采用双探头设计和旋转测量的独特信号分离技术，成功捕获火星弱磁场信号——约10纳特斯拉，仅为此前卫星磁测模型预测值的1/10，相当于地球磁场的1/5000。

研究表明，火星早期磁场发电机在36亿年前骤降，并持续维持弱磁场状态，由此发现了火星由强变弱的长期水活动过程的磁场约束机制。

这些系统性突破不仅刷新了人类对火星环境演化的认知，更在行星科学领域镌刻下鲜明的“中国印记”。

“刀尖舔血”的日子

“陈凌他们啊，那真是拼了命在干！”获奖消息传来，地质地球所的同事无不感慨。这番评价并非溢美之词。

2021年8月10日，地质地球所召开首次火星探测任务科学研究动员会。会后，该所当天成立了7个任务组——涵盖火星地质、物质成分、地下结构、磁场、空间环境、宜居要素、地质工程等多个研究方向。

“动员会就像发令枪。”陈凌回忆说，“一声令下，我们所有人都放下手头工作，集中精力专攻这一件事。这是中国科学院的特色优势。”

攻关时刻，研究人员不仅拿出了看家本领，还用性命在拼。

火星雷达信号分析堪称“在刀尖上跳舞”。“我们不仅要与时间赛跑，更要确保每一个数据处理环节都万无一失。”张金海坦言，“这项研究承载着国家荣誉，容不得半点差错。”

为攻克技术难关，研究团队常常通宵达旦。在最开始的信号破译阶段，张金海与博士生李超采用“人肉接力”工作法——两人轮班倒，确保24小时不间断工作。经过72小时连续奋战，他们终于找到了突破口。为完善信号处理流程，陈凌带领团队连续攻关46天，高强度的工作让他们的生物钟失调了——有时兴奋到极点，睡不着觉；有时刚睡两三个小时，就起来接着干。经过无数次头脑风暴，他们最终确立了13个关键步骤的标准处理流程，成功破解了火星雷达的“密码语言”。

长期超负荷工作让一些人的身体健康亮起红灯。地质地球所研究员王旭突发脑血栓导致半身不遂；地质地球所研究员吴海斌也因心脏问题做了支架手术。2022年春节刚过，论文投出没几天，秦小光突感呼吸困难，就医后被直接送进ICU——肺动脉血栓一旦发作，抢救时间不超过5分钟。

然而，回忆起那段“刀尖舔血”的日子，秦小光却语气平静地说：“没什么后悔的。”

科学与工程的“双向奔赴”

首次火星探测任务取得一系列突破性成果，离不开科学与工程的“双向奔赴”。

“从载荷设计到载荷运行，从就位探测到数据分析、科学问题解译，这一系列研究实现了工程技术与科学研究的紧密衔接。这不仅对行星研究至关重要，也为地球上其他领域的研究提供了协作攻关的新模式。”陈凌说。

这种协同合作模式的成功，离不开地质地球所与国家天文台的精心策划。刘建军回忆，任务攻关期间，首次火星探测任务首席科学家潘永信院士、总设计师张荣桥、副总设计师李春来和中国科学院院士郭正堂等多次深入交流，搭建科学与技术沟通的桥梁。

“在探索未知领域时，科研人员都怀有极大的热情。但只有通过强有力的组织，才能将这些热情转化为实实在在的成果。”秦小光说。

“双向奔赴”的精神还体现在具体实践中。刘建军告诉《中国科学报》，“祝融号”火星车最初的探测计划并未包含对火星沙丘水活动的研究。科学团队与工程人员经过数十次的讨论，最终确定了物质成分探测仪1.5米的最佳工作距离，既确保了数据准确性，又避免了火星车陷入沙丘的风险。

“我国深空探测事业正在进行从‘工程抵达’到‘科学引领’的历史性跨越。”刘建军说，“如今，我们的工程技术能力越来越强，已经能够支撑实现更复杂的科学目标了。”

特别是在我国深空探测领域仍然面临国外技术封锁等国际大环境下，多位科学家指出，科学研究和工程技术之间更需要紧密合作、相互支持，共同攻坚克难。

“有人觉得做科研辛苦且竞争激烈，但我觉得，我们这一代人何其有幸，赶上了中国科技发展的黄金时代，这是千载难逢的历史机遇。”张金海动情地说。

我国首次火星探测任务取得圆满成功，意味着中国仅用一项任务就达成了欧美数十年才完成的“绕、着、巡”目标。展望未来，中国深空探测的宏伟蓝图已在眼前：天问二号将执行小行星伴飞取样探测任务，天问三号将实现火星采样返回，嫦娥七号和嫦娥八号将开展科学探测和资源开发利用验证试验，推动国际月球科研站建设……这一系列壮举将推动中国深空探测科技迈向新高度。

“中国深空探测的前景光明，我们还有很多事情要做，要向着更远的星辰大海不断迈进。”陈凌充满期待地说。