凤凰号可能无法熬过火星严冬

凤凰号发回的火星照片
凤凰号发回的火星照片
凤凰号发回的火星照片
　　据美国太空网报道，美国宇航局的“凤凰”号火星登陆器在这颗红色行星的北极平原上停留超过4个月时间后，现在它的时日已经不多。随着火星上寒冷的冬天悄悄来临，太阳的高度开始下降，这个探测器的能源供应将会减少，最终它会被冻结，陷入“休眠”状态，而且很有可能从此一睡不醒。
　　冬季温度低达零下120摄氏度
　　“凤凰”号的任务是在它的着陆地点——火星上的瓦斯蒂塔斯-伯里利斯(Vastitas Borealis)平原上挖掘火星土样和地下像岩石一样坚硬的水冰样本。该登陆器已经扫描了一些样本，寻找这个区域在过去是否有生命存在的迹象。
　　5月25日，“凤凰”号在火星北极着陆，这个时候正值火星北半球的晚春时节。最初这项任务计划持续3个月，到8月结束，但是后来两次延长任务时间，第一次打算到9月结束，最近又计划一直持续到12月。
　　但是目前还不清楚“凤凰”号是否能幸存那么长时间，该船的运行时间的长短主要由“凤凰”号的系统是如何处理不断缩小的能源供应和火星冬季恶劣的环境等决定。加利福尼亚州帕萨迪纳美国宇航局喷气推进实验室“凤凰”号项目经理巴里?戈德斯坦(Barry Goldstein)说：“这项任务由火星状况的所决定。”
　　加拿大多伦多约克大学大学“凤凰”号气象组成员彼得?泰勒说，随着冬季慢慢降临在火星北极，这里将有两件重大事情发生：太阳将降到地平线以下，而且“火星上将逐渐变冷”。当然，火星的温暖程度永远达不到地球的标准，因为它距离太阳更远，而且没有像地球一样厚且能捕获热量的大气层，但是火星北极圈的夏天与冬季相比，显然要温暖的多。
　　通过这个登陆器的气象天线温度计(meteorological mast thermometer)进行的测量可知，“凤凰”号登陆地点夏季正午的温度大约可以达到零下4华氏度(零下20摄氏度)，夜间温度仍降低到零下112华氏度(零下80摄氏度)。现在这里白天的温度开始下降到零下22华氏度(零下)，夜间温度可达零下130华氏度(零下90摄氏度)。到11月中旬时，这里夜间的温度有望下降到零下184华氏度(零下120摄氏度)。导致这一结果的原因是太阳的高度在不断下降。
　　北极在夏季时，太阳经常位于地平线上方，这跟地球上的情况一样。到了秋天，太阳开始一天天降到地平线以下，直到冬天来临，它降到一定高度后，会一直等到来年春天才会再次升起。戈德斯坦表示，现在在“凤凰”号降落的地方，白天的部分时间内太阳已经降到地平线以下。“凤凰”号降落地点所在的纬度与地球上的阿拉斯加州北部所在纬度非常类似。
　　能量减小
　　温度越来越低和太阳不断下降，导致“凤凰”号用于科研工作的可用能源逐渐减少。夏季有大量太阳光照射在“凤凰”号的翼状太阳能阵列上，阳光是这艘飞船在火星上获得能量的唯一来源。但是一旦太阳消失，它的能量来源也会随之消失。泰勒说：“随着太阳的高度不断降低，通过太阳能电池板输入电池的能量越来越少，这是该任务正面临的最大问题。”
　　随着太阳在天空中的位置变化，“凤凰”号的太阳能阵列的方向限制了它能吸收多少阳光。泰勒解释说：“问题是，太阳能电池板是水平的，我们无法使它们倾斜，因此随着太阳在地平线上的高度不断变低，它收集到的能量也将越来越少。”戈德斯坦表示，任务开始的时候，“凤凰”号的太阳能电池板在每个火星日(大约有24小时39分)大约产能3000瓦时，这些能量可供一盏60瓦的电灯泡使用55小时。9月13日，即“凤凰”号降落后的第109个火星日，电池板的产电量已经下降到每个火星日大约是2400瓦时。戈德斯坦说：“电池板产电的能力在逐渐降低。”
　　戈德斯坦表示，“凤凰”号的能量截止点(energy cut-off point)大约在电池板只能产生大约1000瓦特时时出现，1000瓦特时是“让这艘飞船在第二天早上重新醒来的最少能量。”他说，根据模拟发射显示，“我们大约会在11月中旬到月末就遇到这种情况，这没什么好吃惊的。”戈德斯坦表示，这些模拟在进行评估时稍微有点保守，因此这个登陆器或许能多坚持几天，“但是也不会继续太长时间。”这项任务的负责人计划到截止点时，完成收集和分析样本等所有科研工作。
　　任务科学家曾计划到9月末为湿化学实验室内一个没使用的单元和热力与先进气体分析仪内的4个从没用过的烤箱收集所有剩余样本(remaining sample)。因为这项工作没有完成，现在他们打算到10月中旬结束样本收集工作。戈德斯坦表示，他改变了分析样本的策略，他们将先集中精力收集所有剩余样本，然后再统一进行分析，而不是收集一个分析一个。之所以会有这样的转变，是因为移动机械臂和挖掘土样和冰样仍是一个非常复杂的过程，不知道要利用多少能量，而分析样本所需的能量数是已知的，不连续的，而且随着能量供应不断减少，很容易对分析样本所需能量进行预测。另一个复杂问题是，该仪器必须利用这些能量保温，以便能正常运转，这个过程需要消耗掉剩余能量的很大一部分。
　　戈德斯坦说：“因此我们将大量样本放入容器内的时间越早就越好。”10月过后，“凤凰”号基本上将变成一个气象站，在它停止运行前，一直用于观察冬季的转变过程。
　　泰勒说：“只要我们能做到，我们就会一直测量火星的温度和压强。”如果有可能的话，该科研组还将努力利用“凤凰”号的激光雷达测量云团，随着大气变冷，云雾在上空聚集，“凤凰”号的照相机将用来拍摄已经开始在地面上形成的霜的。
　　霜的威胁
　　霜已经开始在“凤凰”号着陆点周围堆积，寒冷的气温也将对这个登陆器产生影响，不过它们会在“凤凰”号停止运行后产生更大影响。
　　泰勒表示，最近“凤凰”号的表面立体成像仪拍摄的图像显示，目前已经有霜在地面上形成，尤其在这个登陆器以前挖的沟中更多。到目前为止，除了气象天线顶端用来观测风的小镜子上结了霜外，“凤凰”号上还没有霜形成，这是因为“凤凰”号比它周围的地面更温暖。泰勒解释说：“通常这个登陆器都能有计划地尽量多吸收太阳辐射，散发出相对较少的红外线辐射物。因此‘凤凰’号的舱面比周围地面的温度更高。它就像一个相对温暖的电脑的顶端。”
　　在“凤凰”号失去它运行所需的能量以前，它会在一段时间内保持比周围地面更高的温度。泰勒说：“因此霜很久后才会在它上面形成。”所以“凤凰”号不可能拍摄到自己被霜包裹的照片。现在形成霜的都是水冰，因为目前“凤凰”号所在纬度的温度还不足以形成干冰，但是这里最终会达到适合干冰形成的环境。
　　目前还不清楚这些霜是只形成很薄的一层，还是像火星的极地冰盖一样形成厚厚的一层。泰勒说：“因为这个纬度的大部分地区都位于极地冰盖上，因此我们不能确定将有多少二氧化碳堆积下来。”泰勒倾向于认为霜不堆积更多。他说：“冬天早晨你会在挡风玻璃上看到薄冰片，也会看到冰晶和霜，但是你不可能看到冻结的冰块。”
　　“凤凰”号停止运转以后，科学家只能通过美国宇航局火星探测轨道飞行器的高分辨率成像科学实验(HiRISE)照相机观察不断堆积的霜。科学家不确定高分辨率成像科学实验到底能观察到多少“凤凰”号的情况，但是该科研组希望它能让科研人员对“凤凰”号的命运有更多了解，因为该登陆器停止运转后，它将与地球失去通信联系。戈德斯坦说：“我们虽然不能继续与它对话，但是我们仍希望继续观察它。”能否苏醒
　　冬季快要结束时，“凤凰”号会引出另一个很大的疑问：当春天降临，太阳重新升起的时候，它是否能像它的名字一样重新苏醒过来？
　　戈德斯坦和泰勒表示，这种情况不太可能。戈德斯坦解释说：“凤凰”号上确实拥有一个被设计师称作‘Lazarus 模式’的重新程序，当能量通过太阳能电池板进入飞船时——要清楚是万一能量输入飞船，它将设法自动重启，并努力与地球取得联系。但是他不相信这种情况会发生。他说：“如果真能听到一些从‘凤凰’号发回的消息，我会非常非常高兴，但是我认为这种情况根本不可能发生。”
　　导致戈德斯坦和“凤凰”号科研组的其他人不相信这个登陆器会重新苏醒过来的原因很简单：现在它在火星表面进入的状态已经超出了它在试验时所能承受的范围。戈德斯坦说：“很久以前就证明了这一点。”“凤凰”号内部堆积的霜是个难题。虽然“凤凰”号结的霜可能只有薄薄的一层，但是这也足以使它被冰包裹。“凤凰”号的工程小组在很多假设的环境中试验了这个登陆器的能力，但是“被干冰包裹后‘凤凰’号的幸存能力是我在研发阶段拒绝进行的一项试验。”他开玩笑说：“我将这称作特德?威廉斯试验。”他还提到传说中波士顿红袜演员，他去世后把身体冷冻起来。
　　但是，即使“凤凰”号没被干冰包裹起来，它可能也无法安然度过条件恶劣的冬季，因为即使是在夏季，这个登陆器也需要不断加热，以保持它的电子设备能正常运行。 “凤凰”号的电路板和线路一般被控制在零下40华氏度(零下40摄氏度)才能达到最佳操作状态。戈德斯坦说：“然而低于这个温度后它们是否还能完好无损？也许能，但是达到一定温度后，过低的温度将让它们难以承受。”
　　而且，大部分电子仪器最低大约只能承受零下148华氏度或193华氏度(零下100摄氏度或零下125摄氏度)的低温，再低一些，一些材料将达到它们的玻璃固化温度。戈德斯坦这样解释玻璃固化，他说：“就像橡胶或塑胶变得像玻璃一样易碎，一旦这种情况发生，它们就会出现裂缝。”如果“凤凰”号的电子元件出现裂缝，当春天太阳重新回到北半球时，这个登陆器将不可能重新苏醒过来。戈德斯坦说：“我们所说的无法提供能量供‘凤凰’号保暖的温度，我们很难想象得到。”
　　因为火星的一年时间更长，当春天在这颗红色行星上降临时，地球上还是夏季。春天在火星上降临后，阳光将变得足够强，有可能会唤醒沉睡的“凤凰”号，美国宇航局或许会认真倾听从这个登陆器发回的任何嘟嘟声，尽管戈德斯坦不相信他们能听到任何声音。因此，一旦“凤凰”号在11月末达到最小能量极限时，这可能就是它为这项任务画上句号的时刻。戈德斯坦说：“这是一个非常有趣的项目，不过我们可能离结束已经不远。”