中國(guó)科學(xué)家研發(fā)了一種新的模擬火星大氣環(huán)境的數(shù)值模型，為未來(lái)火星采樣返回任務(wù)提供科研支持。

這項(xiàng)研究于近日在中國(guó)《科學(xué)通報(bào)》雜志上發(fā)表。研究根據(jù)國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《2021中國(guó)的航天》白皮書(shū)表示，中國(guó)將完成火星采樣返回的目標(biāo)。

為了提供航天器著陸的氣象條件信息，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了新一代火星大氣模式（簡(jiǎn)稱(chēng)GoMars）。

他們使用該模式模擬了火星大氣環(huán)境中沙塵、水和二氧化碳三個(gè)關(guān)鍵氣象元素的循環(huán)，并根據(jù)“天問(wèn)一號(hào)”火星車(chē)“祝融號(hào)”和美國(guó)“維京1號(hào)”、“維京2號(hào)”火星探測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果，以及國(guó)際火星大氣全球數(shù)據(jù)集，對(duì)模式進(jìn)行了性能驗(yàn)證。

結(jié)果表明，GoMars成功再現(xiàn)了“祝融號(hào)”和兩個(gè)“維京號(hào)”記錄的火星大氣獨(dú)特的地表氣壓。此外，該模式對(duì)火星地表溫度、緯向風(fēng)、極地冰和沙塵也具有較好的模擬效果。

不同于地球，火星大氣低壓低溫，水汽極少，沙塵變幻莫測(cè)。隨著人類(lèi)火星探測(cè)任務(wù)愈加復(fù)雜，科學(xué)家對(duì)火星天氣預(yù)報(bào)的需求也更加迫切。研究團(tuán)隊(duì)表示，他們將進(jìn)一步研究火星上的沙塵暴等天氣過(guò)程，為未來(lái)的火星探測(cè)、載人登陸和資源開(kāi)發(fā)等提供可能的科研支持。

中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”于2020年7月23日發(fā)射升空，于2021年5月15日著陸火星烏托邦平原。隨后，“祝融號(hào)”火星車(chē)駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開(kāi)始對(duì)這顆紅色星球進(jìn)行巡視探測(cè)。

2021年6月11日，國(guó)家航天局公布了由祝融號(hào)火星車(chē)拍攝的著陸點(diǎn)全景、火星地形地貌、“中國(guó)印跡”和“著巡合影”等影像圖。新華社發(fā)（國(guó)家航天局供圖）

論文的通訊作者王斌說(shuō)，與“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)相比，火星采樣返回任務(wù)包括著陸、采集樣本和返回等目標(biāo)，需要有關(guān)火星大氣條件更精細(xì)化的信息。

王斌告訴記者，在火星，沙循環(huán)的重要性相當(dāng)于地球的水循環(huán)。從探測(cè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，沙塵過(guò)程對(duì)登陸火星有很大的影響。因此，沙塵過(guò)程一直是火星大氣研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，也是模式模擬的難點(diǎn)。

在沙塵活動(dòng)期間，火星大氣邊界層內(nèi)的溫度、氣壓、風(fēng)場(chǎng)等均會(huì)發(fā)生快速變化，由此對(duì)火星探測(cè)器的著陸、離飛、通訊、能源供給和儀器工作等方面產(chǎn)生顯著影響。

據(jù)國(guó)家航天局消息，“祝融號(hào)”火星車(chē)在2022年5月18日轉(zhuǎn)入休眠模式。王斌說(shuō)，使用火星大氣模式模擬“祝融號(hào)”休眠前后的沙塵活動(dòng)，可為其休眠原因分析提供數(shù)據(jù)支撐。

2022年元旦，國(guó)家航天局發(fā)布我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器從遙遠(yuǎn)火星傳回的一組精美圖像，向全國(guó)人民報(bào)告平安。這是環(huán)繞器與火星合影。新華社發(fā)（國(guó)家航天局供圖）

“火星的觀測(cè)資料遠(yuǎn)比地球稀少?！蓖醣笳f(shuō)。利用火星大氣模式的模擬數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建一個(gè)虛擬的“數(shù)字火星試驗(yàn)平臺(tái)”，為著陸區(qū)選擇、火星車(chē)設(shè)計(jì)中的大氣環(huán)境工程約束提供數(shù)據(jù)支撐。

“例如，GoMars可以模擬火星車(chē)著陸區(qū)的溫度，而科學(xué)家可以利用這些數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)適合建造火星探測(cè)器的材料，從而應(yīng)對(duì)火星上的極端寒冷環(huán)境?！蓖醣笳f(shuō)。