2021年2月，我國自主研發的首顆火星探測器“天問一号”曆經6個多月，跨越4.65億公裡成功抵達火星。“天問一号”的主要科學任務包括調查火星表面環境進而了解火星大氣的演化過程。在我國“天問一号”成功發射之前，國際火星衛星探測任務主要由美國、前蘇聯和歐洲的大型航空航天機構主導。
它們的研究結果顯示，在約40億年前，火星表面曾經存在過湖泊與海洋，但是今天的火星表面卻無比幹涸，其表面形貌特征與我國甘肅、青海、新疆等地的雅丹等風蝕地貌類似。為什麼地球的表面仍然存在着海洋而火星的湖泊卻不見了呢？地球的未來可能像如今的火星一樣幹涸嗎？這些有關“火星表面液态水的去向”問題成為科學家關注的重中之重。
圖1：火星、地球沖積扇衛星照片對比圖
Credit：NASA（左），ESA（右）
如果把火星與地球對比，可以發現不少差異，其中，由兩點差別尤其引人矚目：
火星品質更小、重力僅為地球的0.38；
火星缺乏内禀磁場，不像地球的地磁場能夠延伸至地表50,000公裡以上的高空。
引力更小，意味着火星表面的水、幹冰通過蒸發、升華進入火星大氣後，更容易擴散至高空、被太陽輻射電離，分解成H、O、CO、CO等帶電粒子；而火星又缺乏類似地球的“全球地磁場”，這些高空中的帶電粒子在火星向陽面400至600公裡的高度即可進入太陽風、被太陽風電場加速，最終逃逸損失至行星際空間。這一過程，稱為“離子逃逸”，是導緻火星表面水成分和大氣損失的重要原因之一，也是歐洲航天局“火星快車”（Mars Express，2003年）、美國國家航空航天局（NASA）“火星大氣與揮發物演化”（Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN，2013年）任務的主要科學目标。
圖2：MAVEN逃逸離子觀測結果
Credit：NASA
驅動離子逃逸的主要能量來源是太陽輻射和太陽風。當太陽風條件增強時，火星磁層的離子逃逸速率也會成倍上升：譬如中國科學院地質與地球實體研究所魏勇研究員2011年的研究結果顯示，當太陽風動壓增強2至4倍時，火星全球離子逃逸速率升高一個量級。此外，當太陽活動水準較強時，經常伴随高強度的太陽耀斑、日冕物質抛射使火星處的太陽輻射、太陽風動壓大幅增強。但是，不論是Mars Express還是MAVEN都是單顆衛星環繞火星開展就位測量、其衛星的軌道周期長達4~6個小時，時長遠遠高于火星磁層中的離子逃逸現象對太陽爆發事件的響應時間。
圖3：MAVEN、EscaPADE衛星探測軌道示意圖
另外，單顆衛星在環繞火星的過程中也無法同時檢測太陽風和火星磁層的變化——當探測器位于太陽風中時，便失去了磁層離子的資訊；而當飛船進入磁層，則無法監控太陽風的變化，也就無法呈現火星磁層對太陽風參數變化的實時響應，是以，為了彌補單顆衛星的探測局限，NASA計劃于2024年開展“逃逸與等離子體加速及動理學探索者”（The Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）雙衛星火星探測任務，簡稱“逃逸探索者”（EscaPADE）。
這将是NASA繼1969年之後的第二次火星“雙衛星”探測任務，也将是世界首個對火星空間環境開展長期環火探測的雙衛星任務。“逃逸探索者”的主要科學目标包括：進一步了解火星磁層的主要控制因素及這些驅動源對磁層離子流的影響；進一步了解太陽風向火星磁層的能量、動量傳輸過程；進一步了解火星大氣層逃逸/沉降粒子的能量、物質交換過程。
如果說的更直覺一點，“EscaPADE”計劃通過兩顆衛星在火星磁層内、外的同步探測，建立太陽風、太陽輻射的能量注入與火星離子逃逸速率之間的量化關系，嘗試性地探索太陽平靜期和太陽風暴期間火星大氣中的水、二氧化碳逃逸損失的具體數額和實體機制，最終，将目前的觀測結果用于反演過去40餘億年間“青少年”太陽對火星離子乃至全球水冰、大氣逃逸的演化過程。
“EscaPADE任務”單個探測器重量小于90公斤，軌道近火點200公裡、遠火點根據任務不同階段依次為7000公裡和5660~8685公裡，衛星軌道周期約4~6個小時。
圖4：“EscaPADE”雙衛星探測計劃
Credit：Lilis et al. 2020
為了克服之前單顆衛星無法多點同時探測的不足，“EscaPADE”兩顆衛星預計将開展兩種飛行模式：
同軌道一前一後的“雙星伴飛”；
兩軌道高差約3000公裡的“高低搭配”。
“雙星伴飛”模式既能同時觀測空間尺度小于衛星間隔的磁層動力學過程，也可以在同一位置擷取兩顆衛星依次跨越的短時間尺度資訊，是以這一模式可有效區分觀測現象的空間分布和時間演化。而另一種模式：“高低搭配”的飛行模式則能夠使兩顆探測器分别位于火星上遊太陽風和磁層、電離層擷取同時段觀測資料，擷取近火空間環境對太陽風條件變化的實時響應。
圖5：“雙星伴飛”（左），“高低搭配”（右）
每顆EscaPADE衛星計劃攜帶3種科學探測載荷：
磁強計（EscaPADE Magnetometer，EMAG）；
靜電分析儀（EscaPADE Electrostatic Analyzer，EESA）；
朗缪爾探針（EscaPADE Langmuir Probe，ELP）。
這些載荷将圍繞火星空間環境中的磁場、熱和超熱離子/電子能譜、等離子體密度、55~130納米太陽EUV輻射強度和飛船電勢開展測量。
自從1962年蘇聯嘗試發射第一顆火星探測衛星至今，人類開展的火星飛掠或就位探測任務已有近六十年的曆史，共計49次探測。這些探測計劃中，僅1969年“水手6 & 7”号為“雙衛星”探測任務外，其餘均為單顆衛星或單衛星搭載着陸器的探測模式。而50多年前的“水手6 & 7”雙衛星探測計劃，僅僅是兩顆衛星配合飛掠火星、未能對火星空間環境開展長時間的觀測。
“EscaPADE”雙衛星探火計劃預計環繞火星開展長達兩年的觀測，這一任務不僅是人類曆史上首個對火星空間環境開展長時間檢測的雙衛星任務，也将為火星大氣逃逸和火星演化曆史等一系列問題帶來新的突破。
圖6：2018年“BepiColombo”雙衛星水星探測任務
Credit：JAXA
此外，歐洲航天局與日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）合作開展的“貝皮科倫布”（BepiColombo）水星雙衛星探測計劃已于2018年成功發射、預計将于2025年抵達水星。“BepiColombo”也将是人類曆史首次開展的水星“雙衛星”探測任務。可以預見，在不遠的将來，針對内太陽系三顆類地行星根據具體科學問題如：火星大氣逃逸、金星“溫室效應”、水星磁層開展多衛星聯合探測的時代，指日可待。
來源：科學探索獎
編輯：Paarthurnax