文章---火星科学研究

2023-02-06

“首次在地球外确认生命之源存在”？多位专家解读

2023-02-05

近日，日本文部科学省称，科学家在小行星探测器“隼鸟2号”采集的样本中，检测到了20多种氨基酸。这些样本来自2020年对小行星“龙宫”的探测。这一发现以“首次在地球外确认生命之源存在”为话题登上微博热搜，网友们更是脑洞大开：“外星人来了”“星际之恋代入”……根据日本横滨国立大学天体生物学名誉教授小林宪正的观点，在地球以外天体上发现多种氨基酸“史无前例”，甚至可能暗示地球以外存在生命。这次发现的氨基酸，真的很玄乎多位专家回应《中国科学报》时指出，这不是人类首次在地外材料发现氨基酸，但目前很难用“有无生命”来总结在地外探索中的新发现。不过“隼鸟2号”带回的样本，能够帮助科学家认识早期地球生命起源这一重要科学问题，帮助我们了解前生命时期的地球可能是什么样的，以及在没有生命参与的情况下，第一批蛋白质是如何形成的。并非首次发现这次在“龙宫”表面样本检测出的氨基酸，是科学家们首次在地球外发现的吗中科院紫金山天文台研究员季江徽说：“这肯定不是首次发现氨基酸。”在1969年坠落在澳大利亚的默奇森陨石中，科学家们就发现了100多种氨基酸的存在。不过由于陨石可能受到地球污染，地外氨基酸存在的证据一直不足。科学家在人马座B2、猎户座KL和W51都发现了最简单的氨基酸——甘氨酸的存在。2015年，罗塞塔飞船携带的菲莱登陆器在丘留莫夫－格拉西缅科彗星上，就曾经发现了氮和氨基酸等构成生命的关键成分。此前在小行星陨石样品中，也曾多次发现氨基酸。不过值得注意的是，相比于以往研究过的陨石，这类在自然状态下的地外天体采集到的样品十分特殊。而且，这批从“龙宫”的采集样本来自不受阳光或宇宙射线侵蚀的小行星表层下的物质，样本分析也是在没有将其暴露于地球空气中的情况下进行的。氨基酸是蛋白质的组成部分。对于地球上最初的氨基酸从何而来，有地球形成和太空形成两种说法。一种说法认为氨基酸是通过陨石从太空带来地球，此前在陨石中检出过氨基酸；但也有说法认为，地球原本就有氨基酸，陨石上发现的氨基酸是陨石落入地球后附着上的。北京天文馆名誉馆长、北京市科学技术研究院科学传播中心首席科学家朱进表示，地球上无论水、氨基酸等存在，都有可能通过小行星（小型天体）撞击地球的形式，来到地球表面。“隼鸟二号”的发现，是对这个观点的某种支持。“‘隼鸟二号’在‘龙宫’的样品中发现氨基酸，是有一定科学预期的。但该发现可以说是可能在地球外确认生命之源存在，但不能说首次。”季江徽说。氨基酸不等于“有生命”是否存在生命，氨基酸并不是唯一的评判标准。在中国科学院地质与地球物理研究所开展博士后工作的申建勋指出，氨基酸分为能够合成生物蛋白质和不能合成生物蛋白质两种，只要有氨基（-NH2）和羧酸（-COOH）官能团存在的有机物，广义上都能称为氨基酸。“目前发现的生物蛋白质中的氨基酸是23种拥有左手旋光性和特定支链的α-氨基酸，再除去一些蛋白质的翻译后修饰形成的衍生氨基酸外，其他成千上万种氨基酸并不能为地球生物的蛋白质提供组成元件。”申建勋强调。根据报道，这次在“龙宫”发现的氨基酸中，包括人体必需的异亮氨酸和缬氨酸。不过这两种氨基酸不能通过人体自主代谢产生，而是需要通过食物摄入。此外，科学家还发现了作为胶原蛋白材料的甘氨酸和作为提鲜成分而广为人知的谷氨酸，以及多种非蛋白氨基酸。“地球上已知生命的结构蛋白质都是由左旋氨基酸作为基本组成元件合成，这种对于左右手性的选择几乎只出现在生命体中，自然界或实验室中通过非生命过程形成的氨基酸通常是‘左旋’和‘右旋’各占一半。如果在地外发现某一手性的有机分子显著高于另一手性的有机分子，则表示此处很可能进行过或正在进行较为复杂且有序的化学反应过程。”申建勋说。这个现象，如同发现了砖头不一定代表那里一定有楼房一样，检测到可组成生命的化学物质不代表有生命，也不能推断多久以后可能会形成生命。同时，鉴于我们只了解地球上生命的特征，这可能也限制了对于外星生命存在形式的预判。申建勋表示，我们很难用有无生命来总结在地外探索中的新发现，只能通过化学系统的复杂程度来描述这些现象。一项了不起的研究太空中的小行星那么多，为什么科学家会将目光聚焦在“龙宫”上“龙宫”是一颗碳质小行星（C型小行星），直径约900米，由众多大大小小的石块由于自身引力聚集在一起而形成。季江徽表示，根据“隼鸟2号”之前对“龙宫”的观察，这颗小行星内部含有水合矿物的痕迹，或许这是“水”从星际空间被带到地球的证据，生命起源也许来自小行星。“整体来说，这是一项了不起的研究。日本团队通过撞击在地外采样，采集小行星表层以下的物质，再运送回地球，就是为了寻找生命起源的信息，难度非常大。”季江徽说。申建勋指出，较高的地外天体氨基酸多样性和可能的星际传输途径对于天体生物学界确实是一件令人兴奋的事，这表明与地球很类似的火星也很可能在地表以下存在较多元的有机分子。因此，此次“龙宫”的发现更加激发了科学家对火星生命信号探测的动力和使命感。我国小行星探测正在加速小行星探测，一直是热门的研究方向。除了日本的“隼鸟2号”，2023年，美国探测器奥西里斯-REx将从小行星“贝努”采集样本并送回地球。中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥在接受媒体采访时表示，天问二号小行星探测器已经进入初样研制阶段，预计会在2025年发射，将实现首次从地球“准卫星”取回样品。参考文献：http://dz.xdkb.net/html/2022-06/09/content_581684.htmhttps://t.ynet.cn/baijia/32785600.htmlhttps://baijiahao.baidu.com/s?id=1735039973509299604&wfr=spider&for=pchttps://baijiahao.baidu.com/s?id=1734954478372217251&wfr=spider&for=pchttps://www.jiemian.com/article/7567143.htmlhttps://baijiahao.baidu.com/s?id=1734849124736810848&wfr=spider&for=pc

纪念我的导师——万卫星院士

2023-02-03

2020年5月20日，是一个让我永生铭记的日子。这一天，我的导师万卫星先生永远离开了我们，我失去了一位慈祥而睿智的导师，中国少了一位卓越的空间科学与行星物理学家。值此万卫星先生逝世两周年纪，回想起恩师的谆谆教导，我不禁潸然泪下，对于他对科学事业的卓越贡献，我记忆犹新。 1958年7月，先生生于湖北省天门市。1978年，先生考入武汉大学空间物理系。1982年，先生作为中国恢复高考后毕业的第一届大学生，从武汉大学空间物理系电波传播专业本科毕业后进入中国科学院武汉物理研究所工作，师从李钧院士，正式开始了他的科学人生。1994年李钧院士在出差途中因心脏病突发不幸逝世，先生接过导师留下的重担，开始担任研究室主任，带领团队开拓进取，继续推进电离层学科的发展，并不断取得新的成绩。1995年，先生获国家杰出青年基金资助。2004年，中国科学院学科调整，先生带领武汉电离层科学团队，整体调整到中国科学院地质与地球物理研究所，组建新的地磁与空间物理研究室。2011年，先生当选为中国科学院院士。2013年，先生带领研究室组建中国科学院电离层空间环境重点实验室。2014年，实验室与中国科学院地球深部研究重点实验室合并成立新的中国科学院地球与行星物理重点实验室，先生一直都是这些实验室的主任和学科带头人。2015年，先生团队的研究成果“电离层变化性的驱动过程”获国家自然科学二等奖。2016年，先生被推选为中国首次火星探测计划首席科学家和中国地球物理学会常务副理事长。2017年，先生被推选为中国空间科学学会副理事长。先生是第十三届全国人大常委会委员、九三学社第十四届中央委员会委员。诸多荣誉背后是先生丰富多彩的科研历程。继往开来，空间科学默默的耕耘者先生是一位学术造诣深厚的空间物理学家，长期从事电离层物理、电离层电波传播、高层大气物理等领域的理论、观测和应用研究，取得了丰硕成果。电离层是从距地面约60km一直延伸到约1000km的部分电离的高层大气区域，存在大量的自由电子和离子，能显著改变无线电波的传播特性。先生的空间物理研究主要围绕电离层以及作为其中性背景的中高层大气展开。由于物理机制和时空变化的复杂性，研究电离层需要开展实验观测、理论分析和数值模拟等综合性工作。电离层物理是一门以观测为基础的科学，一方面观测数据是电离层研究的基础；另一方面电离层物理研究也推动着观测技术的发展。先生传承了我国电离层研究的优良传统，一直是我国电离层“自主研究”的倡导者和践行者，十分注重电离层观测技术和实验设施的发展与建设等基础性工作。我国的电离层观测研究始于上世纪30年代，老一辈科学家陈茂康、任之恭、桂质廷和梁百先等做出了一系列杰出的工作。 1956年，中国科学院地球物理研究所与武汉大学合作在武昌珞珈山建立了武汉电离层观象台。上世纪70年代末，该观象台调整成为中国科学院武汉物理研究所的研究室，李钧院士成为研究室的主任和学术带头人。1994年，在研究室主任李钧院士不幸突然逝世等困难局面下，先生临危受命，出任研究室主任，并历经十年奋斗将该研究室发展成为当时国内实力最强的电离层研究团队，也同步将武汉电离层观测站发展为一个综合性的空间环境观测台站。在此期间，先生带领研究室团队建立和发展了多个电离层—中高层大气观测系统和新的电离层诊断分析技术，如：1993年建立了GPS电离层TEC测量分析系统；1994年开发了数字测高仪运动剖面和扰动探测模式；1996年建立了短基线GPS电离层TEC扰动观测网；2002年建成了全天空无线电流星雷达；2004年建立了国内第一个电离层TEC现报演示系统。先生在电离层无线电诊断原理与方法研究方面也取得了丰硕的科学成果。如，先生提出了电离层扰动剖面的高频广义射线反演原理及电离层小尺度不均匀体统计特性剖面的反演原理，并给出多种高精度数值算法；成功地解决了新型数字测高仪的多普勒和到达角频高图的分析方法，是这一领域中的开拓性工作；先生首次提出了适用于非平稳非单一电离层扰动场传播参量的时频分析方法，这一工作首先创造性地导出了电离层扰动的台阵探测、单台站多参量探测以及观测点处于运动状态的短基线GPS电离层扰动探测时的观测方程，在此基础上，引入最大熵谱分析方法和小波分析方法，用于分析非平稳非单一电离层扰动场，提高了探测数据的可用性和精度。 2004年，根据中国科学院学科整合要求，先生率领电离层研究团队整体调入中国科学院地质与地球物理研究所，并出任地磁与空间物理研究室主任。经过数年时间，该室即成为国际上最重要的空间物理学研究团队之一。在院所支持下，先生的团队整合地质与地球物理所原有的地磁台链（由漠河、北京和三亚三个台站组成）和武汉的电离层观测站，建立了一条覆盖我国南北的空间环境综合观测台链。该台链在观测站布局上，利用在漠河、北京、武汉和三亚的原有台站，通过改造、更新和添置观测设备，形成在我国大陆南北跨度最大、以地球经圈为主线、布局合理的、能对我国空间环境进行综合观测的一条子午台链。先生带领的团队还在南极中山站和北极黄河站建立相关的电离层和地磁观测设备，从而向南北进一步延伸了该台链。团队综合分析台站位置的地球物理特性，以科学问题为牵引，合理选配观测设备，形成地磁与磁层波动观测、中高层大气观测、电离层结构观测和电离层TEC观测四种可长期连续观测手段为主体的观测链。此外，团队针对我国空间环境地域特性，在我国南部建立电离层VHF相干散射雷达和GNSS电离层闪烁探测手段，加强对我国低纬地区电离层不均匀体的观测研究，还进一步开展了观测仪器的研制工作，于2009年建成了电离层相干散射/流星双模VHF雷达，2011年研制成功了PDI敏捷数字电离层测高仪。该台链在运行管理上，利用现代化的网络通信和计算机技术，开发监控和数据分析处理软件，实现对各观测仪器的远程监控、数据传输和故障处理，并在研究所数据中心实现数据实时处理发布，大大提高了仪器的运行效率。最终，该台链拥有了众多先进设备，探测区域覆盖地球磁场、中高层大气和电离层，为我国空间物理基础研究和空间天气应用服务积累了丰富的观测数据，建成了一个具有国际先进水平的观测研究基地，有力地支撑了我国空间物理学科的发展。先生还于2013年率先提出了在电离层低纬地区的我国三亚研制和建设当前国际上最为先进的大型高功率相控阵非相干散射雷达的建议，并在2014年获得基金委国家重大科学仪器研制项目（部门推荐）支持。该雷达主要用于研究低纬大气层—电离层—磁层耦合、东亚电离层地区特性和我国南部电离层不均匀体与闪烁等重大科学问题。先生带领项目组，对系统方案设计中每一个关键环节进行了反复的分析和评估，从最基本的非相干散射理论到雷达后端信号处理，再到参量反演算法，开展了大量的研究工作。目前，三亚非相干散射雷达已经初步建成，已经于2021年进行验收。数值模拟是电离层研究的重要手段，而数值模式是数值模拟的基础。先生在中国电离层模式化领域做出了开创性贡献。电离层模式是对电离层物理的基础研究成果和电离层环境的实验观测成果的总结，是进行电离层物理研究的“核心装备”，也是连接电离层理论与观测和电离层数值天气预报之间的桥梁。先生在上世纪90年代就认识到电离层模式化的重大意义以及当时国内外现状。经过近20年的努力，先生带领团队先后开发了系列的电离层理论模式，极大地促进了国内的电离层物理研究事业。先生领导开发的电离层/热层耦合模式，标志着国内的电离层模式化研究达到了国际先进水平。先生带领团队进一步把数据同化技术与电离层模式化研究相结合，进一步开拓了国内的电离层现报/预报研究，并创新性地提出研发“数字电离层”技术，从而开展自主的电离层数值预报。在自主观测数据和自主开发的理论模式的有力支撑下，先生在电离层物理、电离层电波传播、高层大气物理等领域取得了大量的科研成果。如，在电离层—中低层大气耦合领域，先生带领团队依靠自主观测数据和自主开发的理论模式主要做了如下两方面的工作：对我国电离层结构与扰动进行长期观测，从中发现我国电离层扰动的地域特性，并揭示出大尺度地形地貌是这些特性的重要成因。主要有：利用自主观测资料，发现我国电离层扰动主要有东北、东南两种优势传播方向；改进射线跟踪技术，分析得出这两种扰动的激发源分别位于青藏高原的东南、东北缘的地形突变处；发现扰动源出现率的地理分布及季节变化与青藏高原邻近地区低涡天气事件一致。这一系统性的工作以第一手观测资料揭示出我国电离层扰动的地域特性，为研究与预报提供了一项重要观测基础；并且将电离层扰动与相关气象活动及大尺度地形地貌联系起来，为电离层与其它地球学科的交叉提供了一条创新思路。对“低纬电离层周期性四波经度结构”这一前沿的科学问题进行了系列研究，并主要基于自主理论模式的数值模拟率先在物理成因方面取得了突破，观测模拟并举，深入揭示了其与大气动力过程的紧密联系。利用卫星及全球地基观测资料，发现了电离层GPS-TEC、电子温度等参量的经度“四波”结构；首次揭示并解释了“四波”的日变化特征：波形向东漂移，速度白天稍慢夜晚较快；系统总结了“四波”的气候学特性：其强度春季弱、夏秋季强、冬季消失，随太阳活动增强略有减弱，在大气层准两年震荡的东风相位期间略有增强。以数据分析和数值模拟首次定量得出了“四波”与大气潮汐DE3模的相关性，从而给出了关于电离层“四波”结构与大气层潮汐关系最有力的直接证据，同时也是“电离层与大气层耦合”的重要证据。先生还积极将电离层及电波传播的研究成果用于实际应用领域。在某国家专项工程中的“多频信标传播地面试验”项目中，先生组织主攻GPS动态定位原理和算法研究，取得了短基线载波相位动态定位较高精度。先生负责承担了“北斗一号”工程中的电波修正子系统的工程研制任务，他创造性地提出了一种大面积电离层电波传播修正方案，该方案充分利用系统本身的资源，巧妙运用数学模型，高精度、高可靠性地解决了“北斗一号”工程系统的电波修正问题。在国家863项目支持下，先生团队采用统计本征模技术，利用自主观测台链的实时观测数据，建成了我国首个电离层TEC现报系统，并在互联网上（http://space.iggcas.ac.cn）实时发布了覆盖我国全境的TEC数据。该系统至今已稳定运行10余年，其实时性、分辨率、精度等均达到当时国际同类系统的先进水平，相关技术已被移植应用到国家空间天气监测预警中心的“华北电离层TEC现报系统”之中，其结果为国家空间天气监测预警中心等单位的空间天气预报业务所直接采用，受到用户的一致好评。披荆斩棘，行星科学辛劳的拓荒人二十世纪六十年代，人类开始迈出深空探索的脚步，太阳系内的其它行星、天然卫星、彗星等天体成为了一系列人造卫星的探测目标，并获得了大量的观测数据，催生了行星科学这一新兴交叉学科。在此过程中，行星物理学迅速发展起来，并成长为行星科学的一个重要分支。相对于欧美，我国的深空探测起步较晚，在长期缺乏国家需求牵引和第一手深空探测数据的情况下，我国的行星科学研究一直没有形成规模。本世纪初启动的嫦娥工程为我国的行星科学发展提供了重要契机，行星物理研究也在此时开始孕育。 2006年，我国的行星探测计划开始进入立项研究阶段，先生在积极参与到论证工作的同时，研究兴趣也逐渐从地球空间环境拓展到其它行星的空间环境。着手利用欧洲航天局（简称欧空局，ESA）MarsExpress等卫星的电离层观测数据对火星电离层的变化性进行了深入研究，还开始指导研究生进行火星电离层数据反演、理论建模和科学研究方面的工作。先生深知，行星物理研究是一个系统工程，需要多层次多方向人才组成体系化的科研队伍对研究进行支撑，因此先生前瞻布局、披荆斩棘、带领自己的团队探索出了一条有中国特色的行星物理学学科建设之路。 2012年，先生领导地磁与空间物理研究室以中科院地学领域第一名的优异成绩通过中国科学院新建重点实验室验收评审，建立“中国科学院电离层空间环境重点实验室”，先生为主任，下辖电离层与高层大气物理研究组、电离层空间天气研究组、磁层电离层耦合研究组、行星空间环境研究组、台站与地基探测研究组以及空间探测传感器研发组，实验室固定人员38人，其中研究员9名、副研究员10名、助理研究员5人、技术支撑人员12名和管理人员2名。实验室正式成立之初，先生就开始在学科拓展方面积极布局，重点培育行星物理学，提出从空间探测、行星研究中认识地球，将团队主要研究方向从地球空间环境向行星空间环境拓展。先生提出，实验室的未来发展方向为从系统地球科学角度研究电离层—地球耦合，从比较行星学角度探索地球/行星空间变化性。实际上，此为国内行星物理学科的开端。实验室定位为：以地球电离层及行星空间环境为主要研究对象，发展空间探测实验手段，从系统地球科学的角度研究电离层与固体地球及其它空间层次间的耦合过程，从比较行星学的角度探索地球与行星空间环境的变化特性，将实验室建设成具有重要国际影响的空间物理和行星科学研究基地。先生以开展行星空间物理研究作为行星物理方向拓展的切入点，并先后招收了多位具有空间物理背景的博士后，进行行星空间物理开拓研究，他们中多数已经成为实验室行星物理研究的骨干。 2014年4月，为了深化和拓展地球系统科学及行星物理学的创新研究，顺应地球科学的发展趋势，满足国家战略需求，中国科学院地质与地球物理研究所通过整合原“中国科学院地球深部研究重点实验室”和原“中国科学院电离层空间环境重点实验室”，组建了“中国科学院地球与行星物理重点实验室”，先生担任首届主任，并在当年中国科学院实验室评估中获地学领域第一名。实验室的定位是“围绕地球的起源与演化等重大科学问题，面向资源环境、防灾减灾和深空探测等重大国家需求，以地幔、地核及其衍生的电离层、磁层为主要对象，聚焦于地球内部过程，比较研究太阳系其它行星的内部与空间环境，认识理解行星地球中物质和能量的输运及转换”。实验室确立了4个主要研究方向，即地球与行星内部物质组成、地球与行星内部结构和动力学、地球与行星空间环境，以及内部过程与空间环境的关联。新建成的实验室拥有一支优秀的人才队伍，有固定人员85人，其中高级职称53人，包括了2位中国科学院院士、9位国家杰出青年基金获得者、3位百千万人才工程国家级人选，以及1个基金委创新研究群体。先生领导的行星物理学研究团队进入了一个蓬勃发展的新阶段，成为我国第一支具有国际影响力的行星物理研究团队。经过先生的多年努力，中国科学院地球与行星物理重点实验室在行星物理领域的研究团队已经成型，分别在行星水的演化、行星电离层粒子逃逸、行星磁场等研究方向上取得了重要成果。先生被聘为中国首次火星探测首席科学家，开始了探索国家战略指引下的有中国特色的行星科学研究与深空探测工程的融合之路，相关课题组研制了其中的关键载荷——磁强计，用于火星表面的磁场测量；主持创建了新的《EarthandPlanetaryPhysics》学术期刊并担任主编，是中国第一份行星物理英文学术期刊；创建了中国地球物理学会行星物理专业委员会并担任主任，是中国第一个行星物理学术组织；积极推进行星科学一级学科的建设论证，吸引和凝聚了一批国内外相关学科的研究力量，打造了我国地球和行星科学研究中心。先生还担任中国科学院大学地球与行星科学学院空间物理学教研室主任，主持设立了《行星物理学》课程，拉开了中国行星物理学人才培养的序幕。在先生的号召下，全国多家相关单位的行星物理研究都呈现出迅猛发展之势，我国行星物理学学科雏形已经显现。结语万卫星先生是学术造诣深厚的空间科学与行星物理学家，在电离层物理、电离层电波传播、高层大气物理、行星物理等领域都取得了卓越成就；是个人魅力非凡的学术带头人，领导了中国科学院地球与行星物理重点实验室、漠河—北京—武汉—三亚空间环境综合观测台链、三亚大型相控阵非相干散射雷达等科研平台的建设；是我国行星物理学的开拓者和奠基人，从行星科学发展趋势与国家战略需求出发，提出了有中国特色的行星科学研究与深空探测工程深度融合的创新之路，并担任中国首次火星探测计划首席科学家，对中国空间科学和行星科学的发展做出了开拓性的重大贡献；是一位杰出的教育家，治学严谨、诲人不倦，培养了大批优秀人才和学术骨干，为我国的科研教育事业发展做出了重大贡献。他一生严于律己、宽厚待人、严谨务实、淡泊名利，始终以科技强国为使命，谱写了精彩的人生，为我们树立了光辉的典范。他的逝世是中国科学界的重大损失。我们深切怀念先生，将学习先生以科技强国为使命的精神，继续沿着先生开拓的方向前进！

谁是下一个登上月球的地质学家？

2023-02-03

向着星辰与深渊，在太空中冒险需要注意什么？

2023-02-03

如果人类真的能像科幻电影和小说中一样，能在长久地在太空中航行，想想是不是有点小激动呢我的三体之星舰地球（来源：bilibili-我的三体）前不久我国发射的问天实验舱舱携带的水稻种子和拟南芥种子成功发芽，目前长势良好。长成的太空水稻还有一个好听的名字叫“小薇”。长势良好的太空水稻和拟南芥幼苗（来源：bilibili-我们的太空）除此之外，问天实验舱还搭载了一个生命生态实验柜，在其中放置了藻类，水槽和斑马鱼形成了一个微小的生态系统。通过观察微型生态系统的生命参数可以为将来在太空中建立大型生态系统打好基础[1]。问天实验舱成功发射（来源：央广网）所以，在太空中生活需要注意些什么呢微重力的环境首先，我们在太空中是感受不到重力的，大家可以随便飞！这是因为，当我们在宇宙飞船、空间站或者月球上时，由于它们都绕着地球转动有一个向心加速度，可以作为一个非惯性参考系。我们在其中会受到惯性力，这个惯性力也可以被称为惯性离心力，力的大小与地球的万有引力相同，方向与万有引力相反，所以就感受不到地球的重力了。（Tips：非惯性参考系就是具有加速度的参考系，在分析非惯性参考系中物体的运动时要加上一个惯性力，惯性力的大小为物体的质量乘以该参考系的加速度，方向与该参考系的加速度方向相反。）在电影星际穿越中，主角团们在进入空间站后通过使空间站自转而模拟出了重力，这个重力实际上是由于空间站自转而产生的另一个惯性离心力。星际穿越中旋转的空间站（来源：电影星际穿越）假设空间站的尺寸为100m，通过简单的计算可以知道，要实现与在地球上相同的重力，空间站的转速相当于地球自转速度的6000倍。同样的，要改变重力，只需要设计一个可以提供不同转速的装置就可以了。在问天实验舱中就设计了一个900mm大小的离心机，通过控制转速可以实现重力的精细调节。看到这里大家不禁想问，在地球上有没有实现失重的办法呢众所周知，自由落体是一个失重过程。根据这个原理，人们发展了一种微重力实验室：失重飞机。一个架次的失重飞行由若干个失重抛物线组成，每个失重抛物线包括4个阶段：急跃升阶段、失重阶段、下降阶段和平飞阶段[2]。每次飞行可以实现15~20次失重次数，每次失重可以持续25~28秒。失重水平可以达到0.01g。失重飞机一次抛物飞行曲线示意图（来源：参考文献[3]）除此之外，还可以将高空气球在预定高度释放落舱实现失重。这也是一个自由落体过程，失重时间在30~60s，失重水平可以达到10-4g[4]。这些微重力实验室由于失重时间短所以只能完成一些简单实验，可以为之后进入太空中打好基础。依靠自由落体可以模拟出一个真实的失重环境。除此之外，可以再想一下：如果给人施加一个向上的大小等于mg的力以抵消重力，不就也达到了失重的效果了吗所以人们又发展了中性浮力水槽的失重实验，人体通过在水中增加或减少漂浮器的方法，使人体受到的浮力和重力相等从而实现等效失重[5]。航天员进行水下训练（来源：央视新闻）但是注意在这种情况下，只是人体整体实现了失重的效果，人的组织、器官等还受到重力作用。通过这个方法可以模拟太空行走，失重工程控制等训练。如何阻挡强辐射环境宇宙中的强辐射一般是高能量的粒子。一方面是始终存在的来自宇宙深处的高能质子，离子，或者介子等带电粒子；另一方面是偶然发生的太阳质子事件。宇宙射线中最高能量的粒子的能量甚至能达到地球上加速器所能提供最大能量的几千万倍[6]。高能粒子照射到物体表面，会与物体表面的上的原子、分子发生相互作用。对于人体来说，强辐射会使皮肤受到损伤，诱导细胞癌变。物质中的原子一般通过共价键，离子键，金属键，或者通过分子间的范德瓦尔斯力结合在一起。这些结合方式本质上是通过原子的外层电子实现的。所以，如果原子中的外层电子从高能粒子中获得能量，就会脱离出原子，进而破坏了这些化学键，导致原子之间无法稳定结合，从而损伤物体。除此之外，高能粒子可能会与原子中的内层电子相互作用产生大量有害射线。首先是电子获得很高的能量直接从固体中脱出，其次是当内层处于低能级的电子从固体中脱出后，外层处于高能级的电子跃迁到低能级从而辐射光子，辐射出的光子也被称为x射线，然后辐射出的x射线进一步激发内层电子从而辐射二次电子。高能射线与原子中的电子相互作用更高能量的粒子甚至可以和原子核相互作用，打破核力的束缚，从而辐射出质子、中子。那么如何阻挡这些高能粒子呢一个直接的想法是采用厚厚的材料作为屏障。但是这个方法需要极多的材料，即使屏蔽一个宇宙飞船大小的空间，所需要的防辐射材料就需要以吨为单位[6]。同时高能粒子与材料相互作用再产生的电子、中子、x射线等次级辐射，也会产生新问题。另一个考虑是：既然这些高能辐射都是带电粒子，那么利用电场或磁场是不是就可以约束粒子或者改变这些粒子的运动轨迹呢地磁场的作用就是这样保护了地球上的生命不受宇宙高能射线的损伤。带电粒子在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用，从而改变运动轨迹。电场也会给带电粒子施加电场力，从而改变粒子速度的大小和方向。通过合理设计外部空间的电磁场分布，可以使来自宇宙的高能射线发生偏转或减速，从而保护我们的空间站。值得一提的是，带电粒子在电磁场中的运动轨迹，如下图，是常见的高考题目了。电子在电磁场中运动受到电场力和洛伦兹力的作用所以小盆友，我这里有一套五三秘籍，带领人类飞向宇宙的重任就交给你了！我们可以在航天器表面通上电流产生磁场，模拟出地磁场的分布。或者利用低强度的磁场使周围空间中的热电子聚集在航天器周围，形成电子云，从而产生强大的电场，进而阻挡带电粒子。也可以在航天器主舱体上连接四个金属球，分别带负电，从而形成一个非对称的静电场分布，直接偏移周围带电粒子的运动轨迹。[6]空间站主体舱加四金属球防护装置结构图（来源：餐参考文献6）当然实际操作中防辐射的防护材料和电磁场的方法肯定是需要搭配使用的。生活必需品：氧气和水要想在太空中长期生存，从地面上自带氧气和水毕竟是有限的，那么有哪些方便快捷的生产氧气和水的方法呢电解水就是一个简单的方法。通过构造一个电解池，阳极处水分子被氧化失去电子生成氧气和氢离子，氧气随着水流排出，氢离子与固体聚合物膜内水分子结合后在电场的作用下迁移到阴极，阴极处氢离子得到外电路的电子被还原成氢气。固体聚合物电解水电解池原理图（图片参考自文献[8]）通过电解水除了得到了我们想要的氧气之外，产生的氢气也会有大用处。人吸收氧气呼出二氧化碳，注意到二氧化碳中也存在氧原子，所以可以利用二氧化碳与氢气发生反应产生水。但是由于氢气和二氧化碳的性质都比较稳定，所以需要采用催化剂（金属铁、钴、镍、钌）在高温高压的环境下使其反应。由于二氧化碳和氢气混合的比例不同会额外产生一氧化碳、碳单质、甲烷、甲醇等物质，所以在实际操作中需要仔细控制二者参与反应的比例防止产生不利物质。除此之外，利用过氧化钠和二氧化碳之间的反应也可以生成氧气。利用二氧化碳制备水和氧气的反应方程式除了化学反应之外，我们还可以回收日常用水和尿液。通过蒸馏-冷却的方式将纯净水再次制备出来。水在太空中会表现出与在地面上不同的样子，在没有重力的情况下，水的内部也不存在压强了。但是由于水分子相互间的吸引力，水依然有表面张力。一团水在太空中最自然的存在方式是形成一个球形。这是因为在相同体积的情况下，球形物体的表面积最小，而液体的表面能等于表面张力乘以表面积，所以在太空中保持球形可以使水的表面能量最低，也就是最稳定的状态。在之前太空授课中有一个水稳定地存在于杯子中的现象，和在地球上的杯中水一模一样，广大网友还对此展开了一番讨论，这是怎么回事呢太空授课中与地面无异的杯中水这是由于水与玻璃杯表面发生浸润。在固体与液体接触的表面会有一层附着层。液体分子对附着层中分子的吸引力为内聚力，方向指向液体内部；固体分子对附着层中分子的吸引力为附着力，方向指向固体内部。若附着力大于内聚力，则附着层分子所受的合力指向固体内部，所以液体分子都会向附着层移动，但是这样又增大了液体与固体的接触面积从而增大表面能量，所以最终会形成如下图所示的浸润平衡的现象。[9]液体浸润现象（来源：秦允豪《热学》）Ps：这杯水是宇航员姐姐一滴一滴地挤到杯子里的（是一个很辛苦的过程呢），只要不再对其施加外力，这杯水就会一直保持那个样子。那么气体在太空中又表现出什么现象呢相比于液体，气体分子间的间距要大得多，所以就不存在分子间的吸引力了，气体的压强来自于气体分子的热运动，所以氧气还是自然地逸散在空间中，和在地面上没有区别。种菜我们将视角进一步往前看，如果在太空中可以大规模种植植物，建立生态系统，植物可以通过光合作用吸收二氧化碳产生氧气，那么不仅可以解决水和氧气的问题，同时也能解决食物的问题。前面提到，在太空中大部分时间是处于微重力环境下的。对于植物来说，没有了重力的约束，可能就不需要土壤的支撑了。细胞之间不再受到重力的挤压，彼此间的距离就不会太紧凑，同时细胞可能会朝着四面八方肆意生长，这样种出来的植物可能就会比在地球上大。但是微重力也可能影响细胞骨架，导致细胞的生长可能出现畸形，或者会影响细胞膜的性质，从而影响细胞间物质的交流，同时微重力也会影响细胞分裂周期[10]。总之，微重力对植物生长的作用依然是当下太空微重力科学研究的重点。我国发射的问天实验舱也携带了研究微重力情况下植物和细胞生长的实验舱。在太空中大部分情况是缺少土壤的，所以可以采用水耕栽培的方法种植植物。水耕栽培又被称为无土栽培，在地球上通常用来克服土壤栽培遇到的盐渍化，病虫害，酸碱失衡等困难[11]。水耕栽培通过调配适当的营养液使植物生存。一般的新鲜植物有75%~95%的部分为水分，剩下的干物质包括C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S等基本元素和Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl、Ni等微量元素，微量元素具有调节植物的新陈代谢，参与物质的转化和运输、信号传递和渗透调节等功能[12]。为了给植物提供足够的基本元素和微量元素，我们可以将含各种元素的化合物与蒸馏水溶解混合调配成营养液，同时需要设定一定的溶液PH值。栽培过程为首先选择饱满无虫病的种子，其次消毒使其在培养过程中不被细菌感染。然后用水浸种使种子吸足水分，种皮膨胀，从而使种子可以吸收氧气，加强种子代谢、酶促反应等生命过程。再其次等待其发芽后移栽至营养液中，最后定期更换营养液同时及时补充消耗的氧气[12]。以水稻水耕栽培为例，从左到右分别为水稻种子吸水露白，发芽以及移栽过程。（来源：参考文献[12]）土壤种植或许也是一种在太空中种植植物的方法。比如在电影火星救援中，主角就是通过利用粪便种植土豆为生。马克在火星种土豆（来源：电影火星救援）但是要大面积的进行土壤种植还是需要更加细致的研究外星球土壤的理化性质，然后对土壤进行改造，使土壤可以储存水分、矿物质。同时土壤中必须存在细菌、真菌组成的生物群落以保证植物根际圈的存在，这是因为微生物的氮代谢，发酵和呼吸作用等生命活动对植物根系生长有着重要作用，微生物与植物间形成共生、拮抗和寄生的关系[13]。总之，在太空中进行土壤种植依然处于一个畅想的阶段，我们先安下心来研究一下刚从月球带回来的月壤吧。诶嘿！失去梦想之月壤不能种菜（来源：bilibili-光明日报）用电问题通过以上的分析过程，想要在太空中生存，不管是生产氧气和水，或者种植植物，更不用提空间站和仪器的运行，这些都是需要大量的能量或者电力。那么在太空中如何发电呢能直接想到的一个方法当然是利用太阳能发电了，也就是利用光电效应将光能转化为电能。对于一个原子来说，电子分布在原子核外部的各个能级之上，当两个原子互相靠近时，这些能级就会发生分裂。对于固体来说，其内部存在大量互相靠近的原子，同时由于原子排列是周期性的，会导致原子中的电子轨道互相交叉从而形成能量连续分布的能带。能容纳电子的部分称为允带，不能容纳电子的部分称为禁带。禁带的大小称为能隙。允带又分为导带和价带。对于一个半导体来说，在没有外部干扰的情况下，绝大部分电子都处在价带中，不参与导电。只有少部分电子受温度影响会跃迁到导带中参与导电，温度越高，跃迁到导带中的电子越多，这就是半导体随温度升高导电性会变好的原因。这些热电子为平衡载流子。固体中能带的形成过程及半导体的电子分布对半导体实施不同的掺杂会变成n型半导体和p型半导体。比如对于硅单质来说，它本身是一个本征半导体，也就是激发到导带的电子和价带的空穴一样多。如果掺杂磷原子，会额外引入一个电子，从而导致电子比空穴多，主要靠电子导电，也就成为n型半导体。如果掺入硼原子，会额外引入一个空穴，从而导致空穴比电子多，主要靠空穴导电，也就是成为p型半导体。将p型半导体和n型半导体合在一起就成为了pn结。由于n型半导体中电子浓度更高，所以电子会发生空间扩散，从n型半导体中扩散到p型半导体中。电子离开n型半导体原本的区域后会留下不可移动的正离子实，形成了正电荷空间区域；电子进入p型半导体填补了原本区域中的空穴，形成了负离子实的负电荷空间区域。电子的空间扩散导致原本中性的二者出现了空间电荷区域，从而在内部形成电场[11]。当光照射到半导体上时，如果光子的能量大于半导体的禁带宽度，大量电子会吸收光子的能量跃迁到导带中称为非平衡载流子。对于pn结来说，这些非平衡载流子通过内部自发的电场发生迁移，形成电流。太阳能电池就是依靠这个基本原理将光能转化为电能。pn结光生电流原理示意图除此之外也可以利用核反应发电。核能发电目前主要的方式是核裂变，未来期望能实现可控核聚变。不管是核聚变还是核裂变，基本原理都是原子核在极高温下失去质子或中子，质子和中子重新形成新的原子核。新原子核形成的过程中，参与反应的旧原子核和质子中子的总质量大于新的原子核的质量，这是因为原子核内部质子和中子是靠核力的吸引结合在一起的，所以结合能是负的。所以在后面这个过程会发生质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，亏损的质量会转化为巨大的能量。比如一个典型的轻核聚变过程为氘核（一个质子加一个中子）反应生成氦原子核（两个质子加两个中子）、质子和中子的过程，中间产物伴随着氚核（一个质子加两个中子）和氦3（两个质子加一个中子）的产生[15]：那么如何将核能转化为电能呢其实方法很简单，就是烧开水。核能加热水使其变成具备很高动能的水蒸气，水蒸气吹动机械叶片通过电磁感性效应产生交流电。交流发电机原理图（图源：百度百科）未来是否能发展其他的发电方式呢答案是有的，比如利用热电材料进行温差发电。对于一个热电材料来说，如果其两端有着不同的温度，就会产生一个电动势，连接上导线短路，就会产生电流。热电效应示意图（来源：参考文献[16]）热电效应最早由德国科学家塞贝克在1821年发现。其基本原理为：对于半导体来说，其热端的载流子会比冷端具有更大的动能；同时，前面我们提到，热激发也会使载流子从价带跃迁到导带，所以热端跃迁到导带的载流子更多。两者共同的作用使得载流子会扩散到冷端，从而使得半导体两端产生电荷的积累。比如对于n型半导体，电子从热端迁移到冷端，从而在冷端积累负电荷，热端形成正电荷区域，所以半导体的两端就会形成电势差。[16]目前热电材料依然处于发展阶段，但也有着广阔的应用前景。结语好了，你已经掌握了在太空中生存所需要了解的基本知识了，做好去太空安家和冒险的准备了吗虽然但是，人类要飞向宇宙还有着很远的路，需要依靠各行各业每个人共同的努力。总之，让我们向着远方的星辰和宇宙的深渊，前进！转载内容仅代表作者观点不代表中科院地质地球所立场如需转载请联系原公众号

火星是否有过生命？通过来自火星的陨石，我们找到了最接近这个答案的证据 | 胡森

2023-02-02

我从2006年开始做陨石研究，经手的陨石大概有好几千块，但是在野外找到陨石的感觉还是特别难忘的。