火星科学概论

　　当今世界高新科技领域中极具创新性、挑战性、前瞻性和显示度的深空探测，是了解太阳系及其各层次天体形成与演化、溯源生命起源等一系列重大基础性科学问题的有效手段，是人类进行空间资源开发利用和保护地球的重要途径，也是推动人类社会科学、技术、经济等发展的重要内涵。目前，深空探测已成为世界各航天大国科技探索与创新的战略制高点，而火星则因其可能是地外生命探索的主要目标天体及其可宜居等独特性质，也成为各国在深空探测领域中竞相角逐的热点和生长点。

　　人类自诞生以来，就因太空的浩瀚、神秘而敬之惧之，火星则因其快速的运动、橙红的色彩和多变的亮度等特性尤为引人瞩目。它不但常常被统治者或神权者所利用、被百姓所寓喻，如被古埃及人称为“地平线上的何露斯”、被古罗马人称为“马尔斯”等，也为古代的天文观测者密切关注，他们在当时简陋的条件下开展了多次火星观测，彰显了不凡的智慧，如中国古称火星为“荧惑”，蕴含了对火星色彩、运动等特性和规律的概括。可以说，人类对火星在认识上的首次飞跃源于17世纪望远镜的诞生及应用，但真正意义上对火星有更精准、更深层次的认识，则来自20世纪60年代以来人造探测器近距离造访火星的探测活动：从1960年苏联发射了首颗火星探测器至今，人类已发射了近50颗火星探测器，实现了对火星的飞越探测、环绕探测、着陆与巡视探测，大大拓宽、加深了人类对火星的了解。

　　随着航天技术的发展和探测手段的多样化、探测精度的不断提高，以及人类对火星认识程度的逐步加深，各航天大国对开展火星探测的热情和频率也逐步抬升和增加。特别是进入新千年以来，探测火星、探寻火星生命信息、探索火星宜居性已逐渐成为国际深空探测的主流，在一定程度上，各航天大国对火星的探测热情已经超越了月球。实际上，中国开展火星探测的可行性论证几乎同步于开展月球探测工程的论证工作：20世纪90年代开始，在国家“863项目”支持下，中国科学家已就火星探测的意义、科学目标等开展了自发性的研究工作，随后又与航天技术专家一起开展了火星探测必要性和技术可行性的论证工作；2007年底，成功发射“嫦娥一号”卫星后，受原国防科工委（现国防科工局）的委托，由孙家栋院士、欧阳自远院士负责组织开展了我国开展火星探测方案的论证工作；从2010年底开始，国防科工局领导和组织开展了更为全面、更为细致的论证工作；2014年9月，国防科工局对外宣布，正式启动我国首次火星探测工程的预先研究和关键技术攻关工作；2016年1月，国家批准了我国首次火星探测工程的综合立项报告，标志着我国首次火星探测工程正式实施。

　　虽然人类对火星进行了几千年的观测和近60年的轨道遥感和表面原位探测，对火星科学的认识取得了长足进步，但这对于真正认识火星、利用火星、开发火星来说还远远不够，就火星本身的科学内涵而言，仍存在诸多科学谜团，需要我们进一步去探索、去研究、去考证。

　　比如，不同于地球磁场，火星虽有很强的岩石圈剩余磁场和多极子磁场特征，却没有全球性的偶极子磁场，但根据现有的行星演化理论，火星早期也应该具有全球性的偶极子磁场，那么，包括火星发电机的开始与消失时间、条带状岩石剩磁分布特征及其成因机制等诸多事关火星磁场形成的物理机制及其演化过程，进而延伸至火星演化理论体系等重大科学疑团仍有待于进一步探究与诠释。火星电离层是太阳风与火星之间发生相互作用和火星水逃逸的重要场所，其与火星磁场、火星大气层等均是火星空间物理研究领域的关键要素。同样，目前在火星电离层中到底发生着怎样的化学作用仍是火星科学界的一大谜团，抑或说是一个颇具争议的研究热点。毋庸置疑，火星大气的结构、组成、物理化学过程、运动特性及其与太阳风的相互作用是火星尘暴、气候的发生和变化的重要控制因素，其中隐匿的许许多多科学细节及相关机制也一直令学术界感到困惑。

　　又如，火星的形貌与构造体系，既发育着以外力为主成因的布满表面的撞击坑和风成地貌、古水流体系等，也有以内营力为主成因而孕育出的诸如火山口形貌、山脉构造体系等，既是火星内部演化在火星表面上的综合显现，又表征着火星固体表面与其外部环境的相互作用。这些复杂型与综合型的火星形貌与构造体系又蕴含着怎样的火星综合演化历史呢？火星的“今日”与“昨日”又有多大的雷同和差异呢？这些科学问题既是基础性的又是综合性的，同样需要我们进一步挖掘和阐释。

　　再如，火星早期的主要热流机制是什么？火星过去、现在的火山活动是怎样演变的？火星壳为什么会出现二分性？这诸多的问题，涉及更深层次的有关火星的成分、资源、内部结构、形成与演化、乃至火星与其他类地行星的差异性等重大核心要素，这些绝不是靠次数有限的火星探测就能解决的。特别是，火星的过去、现在是否有生命发育？解开这一疑团也不仅仅是靠对火星过去曾有大量的水体等几个要素的分析就能解释清楚的。更具挑战性的问题是，能否通过改造火星使之成为人类的新家园呢？这一涉及哲学领域的“科技难题”，难道不需要我们不断从科学上去考证、从技术上去验证吗？

　　本书正是基于这些科学疑团以及我国刚刚启动首次火星探测工程的契机而组织编写的。