水星探测器可沿晨昏线探索该行星

水星晨昏线区域的景象，由美国国家航空航天局（NASA）的信使号探测器拍摄。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室加州理工学院

离太阳最近的行星水星，经历着极端的温度变化。由于这颗行星几乎没有大气层，它处于一种持续的循环中：一面极热，另一面极冷。在朝向太阳的一面，温度高达灼热的427摄氏度（800华氏度），足以熔化锡和铅，而且表面暴露在致命的高辐射水平下。在背向太阳的一面（夜面），温度骤降至寒冷的零下173摄氏度（零下279.4华氏度），冷到足以冻结大多数液体，包括电池制造中使用的那些液体。

所有这些都使得探索水星表面极具挑战性。一方面，探测器在朝向太阳的一侧会受到太阳辐射的干扰，很可能会熔化。另一方面，太阳能驱动的探测器无法在夜侧工作，而电池驱动的探测器则可能因电池耗尽而迅速失去动力。但在水星的晨昏线区域——即昼夜之间的地带，温度足够稳定，且有充足的光线供太阳能驱动的探测器研究表面特征并开展科学操作。

这是夏威夷大学马诺阿分校夏威夷地球物理与行星学研究所（HIGP）的一个研究团队提出的提案。该团队包括HIGP的行星科学博士生MariMurillo，以及HIGP的著名研究员、Murillo的博士生导师PaulG.Lucey。详细介绍他们提案的论文在近期的月球与行星科学会议（LPSC）上发表。

信使号（MESSENGER）被认为撞击的区域的伪彩色图像。图片来源：美国国家航空航天局约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室华盛顿卡内基研究所

正如他们在论文中指出的，水星着陆器任务将为研究独特的地质特征创造机会。这些研究将解决科学家们关于水星形成、火山历史和构造演化的未解问题。在水星上赶在太阳前面的想法已被科学家和科幻作品广泛探讨。例子包括金斯坦利罗宾逊的《2312》和查尔斯斯特罗斯的《土星的孩子》。

在这两种情况下，一座轨道上的城市在水星表面移动，始终停留在晨昏线区域的永恒暮色中。这个概念利用了水星32的自旋轨道共振，即该行星每绕太阳完成两次公转（88个地球日），就会绕自身轴自转三次（58.6个地球日）。这种共振意味着一个太阳日——即太阳回到天空中同一位置所需的时间（在地球上为24小时）——长达176个地球日。

因此，火星车任务只需以足够快的速度行驶以保持在太阳前方，并且仍然能够从其太阳能电池板获取足够的电力。穆里洛和卢西在他们的论文中描述的火星车将配备一套专门用于元素分析和矿物识别的科学仪器，包括激光诱导击穿光谱（LIBS）仪、X射线和伽马射线光谱仪、拉曼光谱仪和红外光谱仪，以及X射线衍射仪。正如他们所指出的：

这些工具将为了解水星的月壤提供关键见解，加深我们对挥发性物质驱动过程和空间风化效应的理解。水星上的关键地质研究区域包括：凹坑。富含挥发性物质的浅洼地，有助于了解水星独特的地质情况；常见于明亮、高反照率区域。

具体特征包括火山碎屑坑和大型构造断崖，这些特征可为了解该行星的内部过程、成分及岩石圈动力学提供线索。低反照率区域是有机物质的潜在存在地，而新鲜撞击坑则可作为探测地下物质的天然探测器。此外还有极地地区，已知那里含有水冰和有机分子，这些物质被认为是在晚期重轰炸期间由小行星和彗星带来的（约41亿至38亿年前）。

水星北极地区（红色区域表示水冰）基于美国国家航空航天局（NASA）信使号探测器获取的数据。图片来源：NASA约翰霍普金斯大学应用物理实验室华盛顿卡内基研究所国家天文学和电离层中心阿雷西博天文台

火星车的路径需经过选择，以通过抵达这些特征区域、采集多样地表物质样本的方式最大化科学回报，同时保持在指定的晨昏线区域内。初步的移动路线计划始于赤道附近一个假设的着陆点，该点的选择旨在优化太阳照射和轨道力学条件，他们写道。从该点出发，火星车可前往晨昏线移动速度较慢的纬度区域，以实现持续探索。详细路径会考虑地质兴趣点及潜在障碍。

为实现这些目标，火星车需要根据其运行的纬度，以与太阳在水星表面的视运动相匹配的速度行驶。为计算晨昏线速度，穆里洛和卢西使用了由美国国家航空航天局喷气推进实验室太阳系动力学小组开发的地平线系统的轨道星历数据。据此，他们计算出赤道处的最大速度约为6公里小时（3.7英里小时），北纬或南纬45度处为4.25公里小时（2.64英里小时）。正如他们所写：

为了在探索时停留在温带区域，水星探测器不需要以与晨昏线完全相同的速度移动。该探测器只需移动足够快，以保持在晨昏线周围指定的温带经度带内即可。这个温带区域的角度是通过考虑行星表面热惯性等参数来确定的。

通过使用阿波罗月球车、苏联月球车2号以及好奇号、毅力号等现代火星车这类历史案例，他们确定采用现有及新型技术制造一台晨昏线追踪漫游车是可行的。不过，仍存在一些技术挑战，包括需在低太阳角度下工作的太阳能电池板，以及能确保运行中断期间持续工作的储能系统。该漫游车还需要自主导航系统，以在晨昏线区域内保持位置同时避开障碍物。

BY: Matthew Williams

FY: AI

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