「水手4號」和它拍攝的人類第一批火星表面照片

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作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

1964年11月28日發射的「水手4號」（Mariner 4）是美國國家航空航天局（NASA）發射的一系列以飛越星球的方式進行的星際探險中的第4個火星探測器，而它是我們人類第一個成功飛越火星的宇宙飛行器。它拍攝的一系列照片，是人類探測器第一批靠近火星時拍攝的火星表面照片。

水手4號

實際上，水手3號和4號是一起生產的深空探測器，共同組成了美國NASA在1964年的「水手-火星」（Mariner-Mars 1964 project）探測計劃。然而，如我們所知，宇宙之廣之大，星際航行是「差之厘毫、謬以千里」的，1964年11月5日水手3號發射，1小時後就出現故障，最終沒能趕在時間允許的範圍內挽回，由於飛行速度不夠，不論再進行什麼操作，水手3號都將與火星相差數百萬英里，發射僅僅8小時後就宣告任務失敗。但好消息是，僅僅三周之後，水手4號就發射並開始了它長達7個半月的旅途。

水手3號計劃的軌道（左）和相關紀念郵票等（右）

水手4號和3號探測器基本一致。它的主體由八角形鎂合金結構組成，對角線長度1.27米、高度0.457米，帶有4個長度為6.88米的太陽能面板。構造頂端有一個直徑1.168米的高增益碟形天線，而在旁邊2.235米高的桿上帶有一個低增益全向天線。八角形框架里容納了電子設備、纜線、推進系統、姿勢控制系統等。它攜帶的科學儀器包括磁強計、塵埃偵測器、宇宙射線望遠鏡、太陽等離子體探針和蓋格計數器等，最重要的是，在底部的中央有個相機（電視攝像機）。

1963年正在測試中的水手4號

1965年，正是這相機讓人們激動不已。水手4號於1965年7月14日、7月15日飛越火星，距離火星最近的距離是9846千米，大約1萬公里。7月14日15:41:49 UT（UT是世界時的縮寫，大致為格林尼治時間）水手4號啟動行星科學模式，從7月15日00:18:36 UT開始，交替以紅、綠濾鏡拍攝取得21張照片，並以21行相加得到第22張照片。相片覆蓋了火星地表不連續的條帶，大約開始於火星北緯40°、東經170°，最後到南緯35°、東經200°，拍攝了火星大約1%的地表。在南緯50°、東經255°處探測器穿過晝夜交界線。在這次飛越過程中，照片儲存於水星4號上的磁帶記錄器中。

水手4號上的磁帶記錄器

水星4號飛到火星背面後信號中斷，之後重新取得聯繫後發回數據，發送的信號一直持續到8月3日，每段數據都傳送兩次以確保沒有資料遺失或損毀，傳回的數據總計5.2 Mbits（用我們平時常用的數據單位，大約是634 kB）。信號穿越了遙遠的太空，帶寬也非常有限，光是這22張照片的數據，就傳輸了超過6個小時。

接下來我們來看看幾張當年珍貴的照片：

下圖是水手4號拍攝的第一張火星數字照片：

水手4號拍攝的第一張火星數字照片

而下邊這張則是第一張火星近距離照片。照片的中心位置是北緯37°、西經187°，展現的區域大小330千米×120千米，圖像解析度大約是5千米。

第一張火星近距離照片

再下邊這張照片是我們相對比較經常見到的一張，它是水手4號在距離火星最近的時候拍攝的火星表面照片。在這張照片中，我們能看到非常清晰的環形山。

水手4號在距離火星最近的時候拍攝的火星表面照片，能看到清晰的環形山

這張充滿了隕石坑、死寂世界的照片，終止了大眾對火星浪漫的幻想，儘管科學家們對此早已心知肚明。水手4號探測的各項數據對於火星的進一步研究起到了很大的推動，例如探測到的火星大氣比之前預期的要薄的多，根據探測估計的火星表面大氣壓為4.1至7.0毫巴（410～700帕斯卡），在白天表面氣溫攝氏-100度，沒有偵測到磁場（後來我們知道火星有局地磁場）。

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