戎昭金等-科学通报：我国未来在轨监测火星沙尘暴的设想和方案

火星是地球的近邻。在太阳系行星系统中，火星的气候环境最为接近地球。研究表明， 至少在30多亿年前，火星可能是一颗具有全球磁场、丰富液态水、稠密大气的宜居星球。所以，多年来火星一直是人类进行行星探索、寻找地外生命的理想星球。

目前人类已经对火星开展了将近50多次的火星探测任务。这些探测任务的大量观测表明火星表面沙尘活动频发。尤其每逢火星南半球春、夏季节，火星常有大规模的沙尘活动爆发，沙尘活动有时甚至能覆盖火星全球（见图1）。 这给人类火星探测任务带来了极大的干扰和威胁。沙尘会会覆盖火星车的太阳能电池板，影响火星车的工作运转，并引发机械故障。可以说，火星沙尘暴是火星表面探测器的杀手。此外，在临近或沙尘暴期间，火星大气温压条件及风场均有快速变化，这对火星探测器的着陆或离飞也会带来严重影响。

图1 MGS卫星的轨道相机观测到2001年7月火星全球沙尘暴的发展变化。（a）沙尘暴前；（b）沙尘暴期间（图片来源：NASA）

我国火星探测虽然起步较晚，但发展较快。我国“天问一号”对火星一次性圆满完成了“绕、落、巡”的工程探测任务目标，实现了我国深空探测从地月系向太阳系探测的跨越，使我国成为继美国之后世界第二个具备火星登陆能力的国家。我国后续还将实施“天问三号”——火星采样返回任务。

在我国“天问一号”探测任务期间，“祝融号”火星车也遭遇了严重的沙尘暴袭击。当前“祝融号”火星车正处于休眠状态，美国的MRO卫星拍摄到祝融号火星车已积满了沙尘，所以能否成功唤醒祝融火星车目前还尚未可知。

为服务我国未来火星探测任务，中国科学院地质与地球物理研究所魏勇研究团队在2022年3月就已经开始对火星沙尘暴组织开展相关研究工作，并在《科学通报》上发表了系列科学评论文章。团队总结分析了火星沙尘暴对火星探测器的影响，并根据火星历史沙尘暴数据，分析并预测了祝融号火星车在2022期间所经历的沙尘活动变化。尤其，团队在充分调研当前火星沙尘暴活动研究的基础上，提出我国应及早在火星同步轨道开展多点卫星监测沙尘活动的设想和方案。如图2所示，整个卫星监测网包括了三颗同步轨道卫星和一颗极轨卫星，可形成“四点一体”的火星全球天气监测组网。通过卫星组网的多点探测，可对火星全球天气形成无间断的持续监测，从而建立我国自主的火星沙尘暴与天气监测预警体系。

图2 多点卫星监测火星天气的轨道示意图.监测体系包括3颗卫星均匀（互相间隔120°）置于火星赤道同步轨道高度（红线），另一颗卫星沿大椭圆极轨轨道（绿线）

这样的多卫星全球监测组网在火星科学探测和工程应用上具有十分重要的战略意义。这对于监测和预警火星沙尘暴，监测火星空间环境、大气和表面地貌变化，保障火星-地球通讯，发展火星定位导航技术，提升探测器数据存储和上传效率，提高火星科学探测质量等都将具有十分重大的科学意义和工程价值。这对于保障我国未来火星采样返回任务的顺利进行，保障人类后续火星科学探测都将能提供非常重要的服务支撑。

鉴于火星同步轨道在科学和工程上的诸多优势，火星同步轨道必将成为未来火星探测的“战略”高地。 研究团队呼吁我国应尽早在火星同步轨道布局多点卫星监测，为我国火星采样返回任务保驾护航，也为人类探索火星贡献中国力量!

发表于《科学通报》的系列成果如下：

1. 戎昭金^*, 魏勇^*, 何飞, 高佳维, 范开, 王誉棋, 曹露, 闫丽梅, 任志鹏, 周旭, 谭宁, 余涛. 我国未来在轨监测火星沙尘暴的设想和方案[J]. 科学通报, 2023. DOI: 10.1360/TB-2022-0756.

2. 魏勇^*, 何飞, 范开, 戎昭金, 王誉棋. 祝融号火星车巡视区2022年沙尘暴活动趋势初步分析[J]. 科学通报, 2022,67（17）: 1938-1944.DOI: 10.1360/TB-2022-0255.

3. 王誉棋, 魏勇^*, 范开, 何飞, 戎昭金, 周旭, 谭宁. 沙尘暴对火星表面探测器的影响:回顾与展望[J]. 科学通报, 2023,68（4）: 368-379.DOI: 10.1360/TB-2022-0445.

4. 何飞, 魏勇^*, 戎昭金, 任志鹏, 闫丽梅, 谭宁, 王誉棋, 范开, 周旭, 高佳维. 火星沙尘暴监测方法[J].科学通报, 2022.DOI: 10.1360/TB-2022-0892.

研究得到了自然科学基金项目(41922031、42222408)、中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA17010201)、中国科学院重点部署项目(ZDBS-SSW-TLC00103)、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201904，IGGCAS-202102)和中国科学院青年创新促进会(Y2021027)资助。