火星是地球的近鄰。在太陽(yáng)系行星系統(tǒng)中，火星的氣候環(huán)境最為接近地球。研究表明，至少在30多億年前，火星可能是一顆具有全球磁場(chǎng)、豐富液態(tài)水、稠密大氣的宜居星球。因此，多年來(lái)火星一直是人類(lèi)進(jìn)行行星探索、尋找地外生命的理想星球。?
目前，人類(lèi)對(duì)火星開(kāi)展了將近50多次的火星探測(cè)任務(wù)。這些探測(cè)任務(wù)的大量觀測(cè)表明火星表面沙塵活動(dòng)頻發(fā)。尤其每逢火星南半球春、夏季節(jié)，火星常有大規(guī)模的沙塵活動(dòng)爆發(fā)，且沙塵活動(dòng)有時(shí)甚至能覆蓋火星全球（圖1）。這對(duì)人類(lèi)火星探測(cè)任務(wù)帶來(lái)了干擾和威脅。沙塵會(huì)覆蓋火星車(chē)的太陽(yáng)能電池板，影響火星車(chē)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)，并引發(fā)機(jī)械故障?？梢哉f(shuō)，火星沙塵暴是火星表面探測(cè)器的“殺手”。此外，在臨近或沙塵暴期間，火星大氣溫壓條件及風(fēng)場(chǎng)均有快速變化，這也會(huì)對(duì)火星探測(cè)器的著陸或離飛造成影響。?
我國(guó)火星探測(cè)雖起步較晚但發(fā)展較快。我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”對(duì)火星一次性圓滿完成了“繞、落、巡”的工程探測(cè)任務(wù)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)深空探測(cè)從地月系向太陽(yáng)系探測(cè)的跨越，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界第二個(gè)具備火星登陸能力的國(guó)家。我國(guó)后續(xù)將實(shí)施“天問(wèn)三號(hào)”——火星采樣返回任務(wù)。??
在我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)任務(wù)期間，“祝融號(hào)”火星車(chē)遭遇了嚴(yán)重的沙塵暴襲擊。當(dāng)前，“祝融號(hào)”火星車(chē)正處于休眠狀態(tài)，美國(guó)的MRO衛(wèi)星拍攝到祝融號(hào)火星車(chē)已積滿了沙塵，故能否成功喚醒祝融火星車(chē)目前尚未可知。
為服務(wù)我國(guó)未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所魏勇研究團(tuán)隊(duì)在2022年3月便開(kāi)始對(duì)火星沙塵暴組織開(kāi)展相關(guān)研究工作，并在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表了系列科學(xué)評(píng)論文章。該團(tuán)隊(duì)總結(jié)分析了火星沙塵暴對(duì)火星探測(cè)器的影響，并根據(jù)火星歷史沙塵暴數(shù)據(jù)，分析并預(yù)測(cè)了祝融號(hào)火星車(chē)在2022期間所經(jīng)歷的沙塵活動(dòng)變化。特別是，該團(tuán)隊(duì)在充分調(diào)研當(dāng)前火星沙塵暴活動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，提出我國(guó)應(yīng)及早在火星同步軌道開(kāi)展多點(diǎn)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵活動(dòng)的設(shè)想和方案。如圖2所示，整個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括了三顆同步軌道衛(wèi)星和一顆極軌衛(wèi)星，可形成“四點(diǎn)一體”的火星全球天氣監(jiān)測(cè)組網(wǎng)。研究顯示，通過(guò)衛(wèi)星組網(wǎng)的多點(diǎn)探測(cè)，可對(duì)火星全球天氣形成無(wú)間斷的持續(xù)監(jiān)測(cè)，從而建立我國(guó)自主的火星沙塵暴與天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。?
這樣的多衛(wèi)星全球監(jiān)測(cè)組網(wǎng)在火星科學(xué)探測(cè)和工程應(yīng)用上具有重要的戰(zhàn)略意義。這對(duì)于監(jiān)測(cè)和預(yù)警火星沙塵暴，監(jiān)測(cè)火星空間環(huán)境、大氣和表面地貌變化，保障火星-地球通訊，發(fā)展火星定位導(dǎo)航技術(shù)，提升探測(cè)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳效率，提高火星科學(xué)探測(cè)質(zhì)量等均將具有重大的科學(xué)意義和工程價(jià)值。這對(duì)保障我國(guó)未來(lái)火星采樣返回任務(wù)的順利進(jìn)行，保障人類(lèi)后續(xù)火星科學(xué)探測(cè)均將提供重要的服務(wù)支撐。
鑒于火星同步軌道在科學(xué)和工程上的諸多優(yōu)勢(shì)，火星同步軌道必將成為未來(lái)火星探測(cè)的“戰(zhàn)略”高地。研究呼吁，我國(guó)應(yīng)盡早在火星同步軌道布局多點(diǎn)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)，為我國(guó)火星采樣返回任務(wù)保駕護(hù)航，為人類(lèi)探索火星貢獻(xiàn)中國(guó)力量。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類(lèi)）、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、地質(zhì)地球所重點(diǎn)部署項(xiàng)目和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
圖1.MGS衛(wèi)星的軌道相機(jī)觀測(cè)到2001年7月火星全球沙塵暴的發(fā)展變化。（a）沙塵暴前；（b）沙塵暴期間。（圖片來(lái)源：NASA）?
圖2.多點(diǎn)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火星天氣的軌道示意圖。監(jiān)測(cè)體系包括3顆衛(wèi)星均勻（互相間隔120°）置于火星赤道同步軌道高度（紅線），另一顆衛(wèi)星沿大橢圓極軌軌道（綠線）。?
