火星无疑对人类有一种神秘的吸引力，使它成为除月球之外，人类发射探测器最多、探测历史最长的天体。火星的特殊性，也许还在于它是最有可能的星际移民第一站，承载着人类移民太空的梦想。本期介绍的“火星勘测轨道飞行器”任务，为火星探测从在轨环绕探测向登陆探测的推进提供极其重要的科学和技术支撑。

作者潘路，中国科学技术大学教授，从事火星地质和表面成分研究，并参与我国的天问一号火星探测科学数据分析，以及天问三号火星采样返回任务规划等相关工作。

专栏主持人：李荐扬

火星勘测轨道飞行器（MRO）的艺术效果图

自古以来，人类的目光便被夜空中那颗闪烁着神秘红光的星球深深吸引。火星，这颗与地球比邻的行星，承载了无数关于生命、文明乃至人类未来家园的遐想。从科幻小说中描绘的“火星人”，到天文望远镜下模糊的“运河”，火星始终是人类探索宇宙奥秘、追问自身存在的重要窗口。

然而，真正的了解并非凭借想象，而是依赖于一代又一代航天器前仆后继的探索。在这场波澜壮阔的星际远征中，美国航天局（NASA）的火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）无疑是一颗璀璨的明星，它以前所未有的探测精度和深度，推进了我们对这颗红色星球的认知。

✦ MRO的诞生：跟着“水”走 ✦

火星，以其独特的地理环境和演化历史，成为太阳系内除地球之外最受关注的行星。它的自转周期、倾斜角与地球相似，表面存在南北极冰盖，这些特征都让人类对其潜在的宜居环境抱有无限期待。

早期的火星探索之路充满了艰辛与挫折。20世纪60年代，“水手”（Mariner）系列探测器首次揭示了火星地表坑洼不平、贫瘠荒凉的真面目，打破了人们对“火星生命”的浪漫幻想。尽管如此，这些早期的探路者也为我们积累了宝贵的数据，指明了未来的探索方向。

水手四号传回的首幅火星表面图像

进入90年代，随着航天技术的飞速发展，人类对火星的探索进入了一个新的阶段。NASA提出了一项宏伟的“跟着水走”（Follow the Water）战略，将寻找火星上水存在的证据作为核心目标。这是因为，水是生命存在的基石，如果火星上曾有液态水存在，那么生命诞生的可能性将大大增加。在此战略指导下，一系列成功的任务相继展开。

火星全球探勘者号（Mars Global Surveyor，MGS）：于1997年抵达火星轨道，通过长期的观测，绘制了详细的火星地图，发现了火星表面可能存在间歇性流水冲刷的证据，以及地表下方可能存在大量水冰的线索。

火星奥德赛号（Mars Odyssey）：2001年进入火星轨道，携带的伽马射线光谱仪和中子谱仪首次直接探测到了火星极地和中纬度地区地下数米深处富含水冰的证据。这一发现具有里程碑意义，证实了火星上存在大量水冰的推测，极大地增强了科学家们对火星过去和现在可能存在液态水的信心。

这些先行者的卓越成就，无疑为MRO的诞生铺平了道路。火星全球探勘者号和奥德赛号已经找到了水存在的大量证据，但我们需要更高分辨率的图像来识别具体地貌特征，更灵敏的光谱仪来精确识别水合矿物，更强大的雷达来探测更深层次的地下结构，以及更精密的设备来监测火星大气和气候的动态变化。正是在这种对火星“水”的执着追寻和对更高精度数据的渴求下，MRO应运而生。

然而，对火星的探测历程并非总是一帆风顺的。1999年，火星气候轨道器（Mars Climate Orbiter）和火星极地着陆器（Mars Polar Lander）接连失败，促使NASA重新评估技术路线，提出更稳健的“轨道+着陆”协同探测策略。MRO作为一个优秀的轨道器（即环绕火星运行的卫星），正是实践这一策略的重要一步。

就在美国的火星探测受挫的同时，欧洲空间局（ESA）的火星快车号（Mars Express）已于2003年发射，开始探测火星地下水。为了支持NASA保持技术领先，2004年，美国总统乔治·沃克·布什（小布什）提出“太空探索愿景”，要求NASA以火星为深空探测重点。在这样的大环境下，MRO被定位为寻找水和宜居环境的关键一步。

成果丰硕的火星快车号运行20周年纪念图从左上角顺时针为火星快车的重要数据

MRO不仅是一个探测任务，更是人类火星探索战略中承上启下的关键一环，肩负着将探索火星“水”的秘密推向更高层次的使命。2005年8月12日，MRO从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地腾空而起，开启了它通往红色星球的漫长旅程。

作为“跟着水走”战略的集大成者，MRO被设计成一个集多种先进探测技术于一身的“瑞士军刀”，其科学目标清晰且宏大，旨在以前所未有的细节水平，解答关于火星水、气候和潜在生命的关键问题。

MRO的六大核心科学目标

地质研究：分析火星表面矿物组成、地层结构及侵蚀痕迹，寻找水活动的证据。

气候监测：追踪季节变化、沙尘暴和极地冰盖动态。

地下探测：通过雷达探测地下冰层或液态水存在的迹象。

高分辨率成像：拍摄迄今最清晰的火星表面照片（分辨率达0.3米/像素）。

支持后续任务：为着陆器（如凤凰号、毅力号）提供着陆点评估和数据中继。

大气研究：分析大气层结构和尘埃分布。

为实现这些科学目标

MRO搭载了下列科学仪器

HiRISE相机（高分辨率成像科学设备）：可识别火星表面小至桌子大小的物体。

CTX相机（背景相机）：提供广域黑白图像辅助HiRISE定位。

MARCI（火星彩色成像仪）：每日拍摄全球天气图。

CRISM（紧凑型光谱仪）：检测矿物化学成分（如黏土、硫酸盐）。

SHARAD（浅表层雷达）：探测地下冰或水层（深度可达数百米）。

MCS（火星气候探测仪）：研究大气温度、尘埃和水蒸气。

MRO上的科学仪器及其位置

除了这六大科学仪器外，MRO还搭载了电传通信载荷（Electra）。Electra是NASA专为资源受限的火星车和着陆器设计的一种导航通信辅助设备。它不仅能以更低的成本显著减轻轨道器的质量、功耗和体积，还可将返回地球的数据量提升数十倍，大幅增强任务的数据传输能力。它虽然不是科学仪器，但具有高带宽通信能力，也就是保证了火星和地球之间数据传输的网速，是火星任务成功的关键。Electra不仅能将MRO自身大量的科学数据传回地球，更重要的是，由于火星表面的探测器（如好奇号、毅力号火星车等）本身通信能力有限，无法直接向地球高速传输数据，因此需要MRO作为火星轨道上的“中继站”，为之后的火星车和着陆器与地球之间的通信提供高效的数据传输服务，大大提升了这些任务的科学产出。

在各个科学仪器的支持下，MRO取得了丰硕的科学成果。下面，我们深入探讨MRO的科学任务成果，看看这双“眼睛”为人类传回了火星怎样的图景。

✦ 解码火星液态水历史 ✦

MRO的任务之一是探索火星的水历史。它在到达轨道后，便开始寻找火星表面液态水存在的证据。火星表面的矿物是揭示火星早期水活动的一把钥匙，通过分析火星表面的矿物和地质特征，科学家试图还原火星上液态水的存在时间和分布情况。

虽然过去的探测任务已经证实火星曾经存在液态水，但这样的环境存在了多久仍有争议。过去普遍认为，火星的液态水在大约30亿年前就已经蒸发殆尽，并逐渐演化成了现在寒冷干燥的火星。人们得到这些认识，主要来自于火星上含水矿物的发现。例如火星快车号上搭载的OMEGA成像光谱仪，已在全球发现大量黏土矿物和硫酸盐。而MRO搭载的CRISM仪器（紧凑型火星侦察成像光谱仪）的全分辨率模式对于火星表面的成像可达18米/像素，相较OMEGA的数据提高了一个数量级，高清的光谱数据为我们理解火星的水环境打开了新的窗口。

例如，CRISM首次发现了火星上的碳酸盐。这些火星地壳中的碳酸盐形成于二氧化碳、水和岩石的反应，记录了火星早期大气二氧化碳的去向，为后期火星车的着陆探测和采样返回任务的规划提供了重要科学目标。其中，耶泽罗陨击坑（Jezero Crater）的某些区域就富含碳酸盐矿物。在地球上，碳酸盐矿物通常在有水的环境中形成，尤其是在湖泊或海洋环境中。火星上这些碳酸盐矿物的存在表明，耶泽罗陨击坑曾经有液态水流动，并且这些水可能在较长时间内保持稳定。碳酸盐矿物的分布区域主要集中在陨击坑的边缘和底部，这些区域可能是古代湖泊的沉积区域。除了碳酸盐矿物，CRISM还在耶泽罗陨击坑发现了广泛的黏土矿物。黏土矿物的形成同样需要液态水的参与，这些矿物的存在进一步支持了耶泽罗陨击坑曾经存在长期水活动的认识。

更重要的是，古老的湖泊是我们寻找潜在火星生命的重要目标。在地球上，生命的证据往往保存在湖底沉积的泥沙中。耶泽罗陨击坑也因此被选作美国2020年发射的毅力号火星车的着陆区，承载着未来火星样品返回任务的重要使命。科学家期待通过进一步的实地探测和样本分析，逐步揭开火星生命之谜。

上图为火星上耶泽罗陨击坑。下图是耶泽罗陨击坑三角洲的照片, 由MRO搭载的仪器拍摄。图中绿色代表碳酸盐和黏土矿物的分布。

MRO搭载的CRISM仪器还新发现了一种重要的水合矿物—蛋白石（水合硅石）。首次发现是在火星的大型峡谷系统—水手谷（Valles Marineris）的边缘和内部，与最为年轻的地层相关联。这意味着，与前人认为的不同，火星其实在很长的一段时间里（直至20亿年前）都存在广泛的液态水和岩石的相互作用，这表明火星上液态水存在时间延长了将近十亿年。

液态水是生命存在的基础。MRO的数据表明火星上液态水存在时间的延长（相对于之前的分析），为火星生命的存在提供了更广阔的时间和空间背景。如果火星上曾经存在生命，那么这些生命可能在液态水环境中存活了更长时间。

MRO在火星水手谷发现的富含蛋白石水合矿物的区域，区域在HiRISE伪彩色图像上呈浅奶油色。

✦ 揭秘现代活跃的地表过程：神秘消失又出现的“条纹” ✦

现代的火星看起来是一个冰冻、贫瘠的世界，至少过去的火星探测任务只看到坑洼不平的表面和干涸的河道。而这一次MRO携带异常高分辨率的相机（如HiRISE和CTX），发现了火星不为人知的一面—原来火星似乎并非如过去认为的那么沉寂，而是直到今天还进行着独特的地质活动。

在火星一些陡峭的山坡上，科学家们发现了一种奇特的地貌：暗色、细长的条纹。它们主要分布在火星中低纬度地区。有趣的是，这些条纹会出现、消失、再出现！这些条纹在火星暖季较为活跃，会沿着坡面向下延伸；在较冷的季节，则会逐渐消退。正因为这种反复出现的特性，科学家们称这些条纹为“复现性斜坡纹”（Recurring Slope Linea，RSL）。

火星表面季节性出现的复现性斜坡纹，从(a)到(f)的红框内多个暗色条纹逐渐变得暗淡

虽然这些条纹长度可高达数百米，然而宽度通常小于5米。得益于MRO上的高分辨率照相机（HiRSIE，25厘米/像素），人们才能一次次捕捉到它们的变化。如上图(a)～(f)展示的，在科普来特斯峡谷（Coprates Chasma）东部，条纹流经的扇形区域随时间的变化变得更暗或者更亮。图像拍摄时间为第31个火星年的南半球春季。

那么这些反复出现的斜坡条纹究竟是与什么有关呢？虽然它们偏爱出现在表面陡峭且温度比较高的地方，但研究表明，温度可能不是唯一的“开关”。关于它们的形成，目前主要有两大模型派别：“干模型”认为，RSL可能是由干燥颗粒的运移和重新沉降过程形成；“湿模型”则认为，RSL可能由液态卤水渗流与脱水干燥形成。虽然“干模型”更符合当前火星表面的干燥寒冷的气候条件，但是仍然有部分研究支持“湿模型”，认为反复出现的斜坡纹线与盐水间歇性流动的现象相符。如果“湿模型”假设被证实，意味着火星中低纬度区域可能存在液态水，这对我们理解火星的气候、地表演化、宜居性，以及火星生命等方面有重大的意义。目前针对复现性斜坡纹的形成机制的研究仍在继续。

✦ 捕捉稀薄火星大气下的“沙尘之舞” ✦

火星大气的密度不到地球大气的百分之一 ——表面大气压只有500～700帕斯卡。同时，火星表面温度分布不均，昼夜温差极大，表面缺乏液态水，这些使得火星上的大气状态和地球上的大相径庭。特别是火星最显著的特点之一 ——火星沙尘暴，比地球上的更高、更大、更持久。

科学家通过研究MRO搭载的MCS（Mars Climate Sounder，火星气候探测仪）和它的同伴MARCI（Mars Color Imager，火星彩色成像仪）发回的数据，发现火星上的尘暴跟春季我国京津冀遭受的沙尘暴如出一辙——表面尘埃在剧烈的大气运动下被扰动扬起、移动、合并、沉积。火星尘持续吸收着太阳光中的能量，使得周围的空气温度上升，温度变化导致气压变化，气压变化就会引起气流的变化。此时，倘若地面上的沙尘遇到小尺度的风，纤弱的沙尘被随机扰动、扬起、卷入空中，形成“尘卷风”，并在行进中影响周围的环境。跟地球沙漠中的尘卷风相比，火星上的尘卷风更高。

白色是尘卷风，黑色是它的影子。通过影子反推，它高达800米！而地球上的尘卷风才十数米高。

倘若区域性尘暴联合起来，纷纷合并，扬起足够的沙尘，沙尘又再吸收太阳光的热量、增大风速，产生类似多米诺骨牌的效应，任由风夹带着尘覆盖整个星球表面，会使得整个星球陷入红褐色的黑暗之中——这就是“全球性尘暴”。在2018年的全球性尘暴过程中，这个恐怖如斯的恶魔，让在火星表面工作的NASA火星车机遇号（Opportunity）陷入长达3个月的黑暗，使得它的太阳能电池板没有办法得到足够的光照，与地球失联。

MARCI在2018年夏天观察到的一次全球性尘暴 左边是尘暴前，右边是全球性尘暴发生时

猛烈的风、微弱的风，区域的风、全球的风，带着尘的风、不带尘的风……不论风的形态如何，它们一直在火星表面雕刻着自己的杰作。MRO的副项目负责人莱斯莉·坦帕里（Leslie Tamppari）说：“在 MRO 之前，尚不清楚火星上到底发生了什么变化，我们认为大气层太稀薄了，几乎没有沙子运动，大多数沙丘运动发生在远古时期。我们现在知道，情况并非如此。”

火星上的沙丘

通过MRO对于沙尘的长时间观测，我们知道，即使火星大气非常稀薄，火星上的沙和尘也没法避免被风卷起、带走的命运。目前科学家们仍在探讨其中的物理机制，但可以确定的是，风在几万年乃至几亿年的历史上，一直影响着火星大气的状态，塑造着火星地表的形态。

✦ 直击火星隐藏的水冰储库 ✦

众所周知，火星是一颗干燥的行星。但如果你去到火星的两极，就会发现那里覆盖着巨大的冰盖，冰与尘埃交替，像书页一样层层堆积，记录着火星漫长的气候演变史。

火星的北极冰盖（左）与南极冰盖（右）

与地球不同，火星的极地冰盖由两种主要成分组成：上层是季节性形成的二氧化碳冰（干冰），下层则是长期稳定存在的水冰。进入冬季时，两极上空会出现水冰和干冰构成的浓厚云层，并最终降下冰霜，覆盖在极地区域表面，形成广阔的季节性冰盖。随着春季来临，气温升高，覆盖地表的干冰会升华，直接从固态变为气态。每年大约有25%的火星大气通过这种季节性冰盖循环，好像整个星球在呼吸。这些冰盖记录着火星的气候历史与环境变化，也是未来火星任务最宝贵的水资源之一。地球上的淡水资源总量约为3500万立方千米，在火星表面相当于约240米厚的水层。而火星极地冰盖中储存的水冰如果全部融化，可以在火星表面形成几十米厚的水层，可见其水资源之丰富，值得未来深度研究与开发利用。不仅是极地附近，水冰在火星的中高纬度地区也有广泛分布。这些冰的分布，与火星自转轴倾角周期性的变化密切相关——当倾角增大时，冰会从两极迁移到中高纬度，从而改造区域地形，形成冰川相关的流动沉积地貌。

HiRISE 图像记录的冰流痕迹（中间亮色区域为冰流过的痕迹）

过去的火星探测任务只报道了冰或者氢原子在火星表面的分布，无法通过遥感方式探测到地下的冰含量。而MRO搭载的一系列科学仪器，极大推动了我们对火星冰的认识（下页表）。HiRISE与CTX相机可以提供高分辨率图像，以获得更精细的水冰地貌特征，帮助估算水冰沉积物的年龄；CRISM光谱仪能够对火星表面的水冰以及含水矿物进行高光谱探测，获取水冰的成分，描绘水冰在火星表面的分布；最关键的是SHARAD雷达，它可以穿透火星地表，探测地下物质的介电性质，从而找到地下水冰存在的证据，并推测水冰的状态，绘制冰层的三维结构。例如，MRO执行任务期间，首次在中纬度区域发现了现存埋藏的地下冰。右侧上图展示的HiRISE假彩色合成图像里能看到陨击坑中有着亮色的物质。科学家认为，这很可能是陨石撞击时，从火星地下挖出来原本埋藏的水冰。

新鲜的陨击坑中的亮色物质被认为是在撞击过程中被挖掘出来的冰

在极地冰层的观察中，SHARAD还观测到了极地层状沉积物的清晰分层结构（下图），这反映出火星气候的周期性变化。这种分层可能与火星轨道倾角的变化周期有关，为我们理解火星的轨道和气候演化提供了珍贵线索。

极地层状沉积物的雷达图。图中亮色条带为水冰层之间的分界面。

火星的太空信使：MRO的中继使命

MRO自进入火星轨道以来，已经为多个探测任务提供通信支持，包括勇气号（Spirit）、机遇号、凤凰号（Phoenix）和目前仍在工作的好奇号（Curiosity）。它通过搭载的UHF（特高频）收发系统，建立了一条近距离无线通道，将探测器的数据中转回地球，稳定高速地传输大量信息。

使用中继通信不仅可以大大提高数据传输的效率，还能节省探测器的能源和设备开销，更能实现快速、连续的数据回传。MRO运行在较低的火星轨道（高度约300～400 千米），这种轨道的优势是与火星表面探测器的距离较短，通信数据率更高。但缺点是中继通信的覆盖窗口很窄，每次只能短暂连接，通信时间有限。比如MRO每天能提供的通信时间一般只有十几分钟。而且，MRO的运行时间早已超过设计寿命，长期高负荷工作对它是一个考验。

尽管如此，MRO仍然表现出色。在好奇号刚登陆火星的第一年中，MRO转发了超过149 GB（吉字节）的数据，平均每次中继可传回227 MB（兆字节）。MRO传输了该任务超过75%的观测数据，完美地完成了中继的任务。对于后续的火星原位探测任务，如洞察号（InSight）、毅力号（Perseverance），以及未来的火星样品返回，MRO都是任务的成功实施不可或缺的一环。

✦ MRO：红色星球的二十年守望者 ✦

MRO任务自2005年发射，2006年开始环绕火星运行，执行对于红色星球的大气和地质研究的任务，直至今天仍在轨道上运行并返回数据。这个持续近20年的探测任务获取了数千张火星高清图像，并通过光谱、雷达及大气观测，深刻改变了我们对火星大气、地质、水历史的认知，揭示了其活跃的地质过程与冰循环。可以说，MRO是我们对于红色星球认识不可或缺的“天眼”。

尤为独特的是，MRO开创性地推动了公众参与科学探索。亚利桑那大学运营的“HiWish”开放平台，允许公众提交感兴趣的火星区域，申请使用MRO搭载的HiRISE高分辨率相机进行拍摄。HiRISE团队评估这些请求后，将其按不同优先级纳入拍摄计划。这不仅大大增强了科学研究的透明度，让公众得以亲眼目睹他们“选定”区域的惊人细节，更打破了专业壁垒，让普通人也能直接参与火星探索，极大地激发了公众的科学热情。

MRO的任务仍在继续，它将继续为我们提供关于火星的宝贵数据。未来，它将继续深入探索火星的液态水踪迹、生命迹象和地质结构：关注火星上液态水的存在形式和分布范围，特别是在尚未充分研究的区域；监测火星表面的季节性变化，寻找液态水活动的迹象，为火星生命探索提供新的方向；继续研究火星的地质结构和演化过程，通过对陨击坑、峡谷和山脉的分析，帮助科学家更好地理解火星的地质历史及其对气候和环境的影响。除了直接的科学观测，MRO还承担着重要的中继通信任务，它将为未来更多的火星车提供数据传输支持，确保这些火星车能够将采集到的数据顺利传回地球。

MRO任务取得了巨大成功。这得益于其对于更清晰的图像和更高精度的数据的不懈追求，以及整个团队在仪器运行、数据处理和分析方面的持续努力。与MRO搭载的仪器相关的科学论文已多达两千余篇，这些发现和成果让我们对火星的现在和过去有了全新的认识：火星上曾经流淌的河流和湖泊，如今也仍然发生着活跃的地质过程；火星大气中的沙尘运动和地下埋藏的水冰都是当代火星大气循环的重要组成部分，保存着气候演化的关键记录。

未来，随着技术的不断进步和更多探测任务的开展，火星的更多秘密将逐渐被揭开。对这些秘密的持续探索，不仅将加深我们对这颗红色星球的理解，也将为我们认识行星环境的演变乃至太阳系的演化历史提供至关重要的线索，为未来火星采样返回、载人航天原位探测的宏伟计划奠定基础。

（致谢 作者衷心感谢尹世成、邢珪馨、陶云婉、郭昊洋、刘建飞、彭吉敏为本文撰写提供初始材料，也感谢MRO项目团队超过20年的辛苦付出，为红色星球的探索带来诸多惊喜发现。）

作者简介

潘路，中国科学技术大学教授。长期从事行星地质，长期致力于行星地质过程、行星光谱探测研究，主要从事火星地表环境、水岩反应历史及宜居性演化的前沿研究工作。深度参与了多个国际行星探测任务，包括火星MRO任务侦察影像频谱仪、洞察号、好奇号的科学研究。

本文摘编自杂志2025年第8期，文章内容略有删改。

新媒体编辑 | 周濛