【科幻科學報 No.481】從月球到火星─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017科學小視窗 ■ 千人透過月球「傳話」
▌文／科科報編輯小組
為了紀念阿波羅11號登陸月球40年，無線電愛好者（俗稱火腿族）和天文迷上月底舉辦了一項透過月球反射電波來通話的活動，有上千人共襄盛舉。
這項活動是由澳洲和美國民眾共同策劃，無線電波到達月球後再折返地球的另一端，需要2.5秒左右時間，所以通話者都必須要耐心等候5秒鐘才能等到答覆，不過通話的品質可是相當清晰，談話內容也無所不包。
這項活動原本希望在7月20日登月週年時才舉辦，不過因為月球繞行地球軌道的關係，主辦單位只好提前舉辦。由於民眾反應熱烈，這項活動可望成為每年的例行性活動。
最ＩＮ話題 ■ 從月球到火星
▌文／施密特（Harrison H. schmitt）
▌翻譯／甘錫安
▌提供／科學人
40年前的7月，月球表面首度出現生物。40年後，火星會不會同樣出現生物？美國總統歐巴馬重申前任總統於2004年提出的太空航行遠大目標：太空梭將於2010年除役，美國將開發新一代的戰神火箭，於2020年重返月球，接下來可能在2030年代中期繼續前進火星，這項計畫稱為「星座計畫」。
就目前而言，美國政策制訂者比較關心的其實不是火星，而是最後一次太空梭升空到戰神火箭首次飛行之間的空檔，因為在這段時間內，美國如果想將太空人載運到太空站，就必須依靠俄羅斯或私人企業。這段空檔時間原本預估為兩年，現在已經延長為六年，今年5月，歐巴馬執政團隊宣佈，將請經驗豐富的航太專家奧古斯丁（Norman Augustine）主持一項計畫審查，設法讓太空計畫重新步上軌道。
儘管距離登陸火星的目標還相當遙遠，美國航太總署（NASA）至少已經開始著手設計日後可以航行於行星間的太空船，規劃人員的參考依據，就是本文作者施密特在文中提到的相關經驗。
比科羅拉多河大峽谷兩側更高的山峰，矗立在細長狹窄的陶拉斯–利特羅峽谷上方；比地球上任何地方所見更加明亮的太陽，照亮了隕石坑底部和陡峭的山坡，與黑漆漆的天空形成強烈對比。1972年，我和同組人員賽南（Gene Cernan）在為期三天的任務中，造訪了這座有將近40億年歷史的山谷，探索了山谷中年代略晚一點的火成岩和火山灰，阿波羅太空計畫就此劃下句點，那是史上第一次，也是目前為止唯一一次有地質學家到另一個星球進行實地的研究。如今，美國、歐盟、俄羅斯都有國際合作團隊計劃將太空人送往火星，執行實地研究工作，而且可能會在2030年之前成行。對於第一位有幸目睹火星日出的地質學家而言，有哪些事物是已經相當熟悉的？又會有哪些新的經驗？
關於阿波羅太空任務的報導，大多將重點放在它的歷史記錄和高科技成就，但參與任務的我們還記得科技程度不高、比較人性的另一面：在月球表面徒步行走，用地質鎚開鑿、搬運岩石，以及在外太空環境下辨別方位等，這些實地探索的原則和技巧都是地質學家很熟悉的，並沒有什麼特別，目的也依然是描繪自然特徵的結構、記錄相對年代和變化，以便推斷其由來，以及未來是否可能提供資源給人類使用。另外，即使在地球之外，關於規劃和執行探索任務的做法，例如該怎麼蒐集與記錄樣本（如果有的話）等，也沒有改變。如果不大可能再度造訪同一個地方，這些做法就顯得更加重要，尤其是我們必須具備人類的感性、經驗與想像，才能充份了解探索任務的科學與人文價值。
每次要探索新的天體時，我們都必須以前一次探索其他地方的經驗為基礎，地質學家這200多年來探索地球時也是如此。我們必須不斷地問，哪些可能是類似的？哪些又可能是不同的？火星的地質、可達性、探索策略和最佳人員組合，跟阿波羅計畫的經驗相較之下有何不同？
親臨月球現場
地球上影響地質樣貌的作用十分複雜。地殼、岩漿、水和大氣的交互作用、海洋板塊和大陸碰撞、來自太空的天體撞擊，以及包含人類在內的生物圈都會改變地貌。在月球上，過去40億年的作用大多是外在的，只來自撞擊和構成太陽風的高能量粒子作用。
月球沒有大氣，因此表面物質直接暴露在太空的極度真空之中。以秒速數十公里飛行的隕石與彗星（其中有些可能小如塵粒）不斷撞擊月球，改變月球上的岩石、岩石碎片、玻璃和塵土，這樣的過程產生了細小且有部份表面光滑的碎屑，覆蓋在大多數年代較久的火山碎岩流和撞擊形成的地層表面，厚度往往達數公尺，稱為「月表岩屑」，常被誤認為是月球的土壤。因此，在月球上進行實地探索時，地質學家必須擁有可與X射線比擬的視覺。為了找出主要不同岩石之間的界面（也就是接觸面），我必須仔細觀察月表岩屑在撞擊下逐漸形成與擴散的過程，如何掩蓋了岩石中礦物、色彩與紋理原有的對比。
舉例來說，我在陶拉斯–利特羅峽谷中，觀察了兩種岩石的接觸面，一種是紋理較細的深色玄武岩，另一種是年代較早的灰色碎裂岩石，稱為撞擊角礫岩。這個接觸面剛形成時應該相當鮮明，兩種岩石之間明顯不連貫。但是暴露在太空中38億年後，有幾百公尺長的接觸面已經變得模糊不清。在另外一個地方，沙土崩落沉積物和深色表岩屑之間的接觸面，從山崩發生至今的一億年間僅延伸了數十公尺。弄清楚這些接觸面改變的過程之後，我就能判定它的原始樣貌，這就和地球上的地質學家必須判定陸地侵蝕作用如何抹去或遮蓋底下的岩石接觸面與結構，是一樣的道理。
要實地鑑別月球表面暴露的圓石中不同種類的岩石，必須了解微隕石連續撞擊所造成的影響。速度極高的微粒打到月球表面時，會產生小範圍的高溫電漿，並熔化撞擊點的岩石。噴出的電漿與熔化的岩石又沉積在周圍的月球表面，形成薄薄的褐色光滑鏽斑（因為含有極小的鐵粒子），佈滿整個圓石表面。就如同在地球上的乾燥地區，地質學家必須看穿岩石表面上的荒漠岩漆一樣，我必須很快地掃視與解讀鏽斑底下的東西之後，才能動手拿鎚子敲下或敲破圓石。
小撞擊坑洞表面的月球鏽斑中穿插著各種顏色的玻璃，顯示遭到撞擊的礦物含有各種化學成份。撞擊發生在白色礦物上（例如火山岩石的主要成份斜長石）時，坑洞就會有淺灰色玻璃和明顯的白點，是由礦物紋理中極細的網狀裂縫所形成。鐵或錳含量較高的礦物被撞擊時，則會產生綠色的玻璃。了解這類過程後，我只要以肉眼觀察，就可判定岩石的成份。
在火星上會面臨什麼？
科學家預料，火星地質所受的影響應該有些和地球相似、有些和月球相似，因為這顆紅色行星的大小介於兩者之間。我們對火星的地質越來越了解後，也證明它確實經歷了這樣的混合式過程。軌道攝影機和維京人號的登陸艇拍回首批相片之後，我們已經知道，火星的地質特徵是內部與外部作用結合的結果。
火星和月球不同，它有稀薄的大氣層，地面氣壓大約為地球海平面氣壓的1%，這層大氣也改變了地表的顏色，探索人員必須評估如何看穿這層顏色，辨識、分析下面的岩石。大氣阻擋了較小的隕石和彗星，所以不會形成直徑小於30公尺的隕石坑。因此，火星表面不像月球一樣覆蓋著撞擊造成的噴濺物質，主要的移動物質則是風吹起的塵土。塵土的來源相當廣泛，包括岩石的風蝕作用、山崩、撞擊和化學作用等。塵土會形成鬆軟的沙丘，類似地球上的平原和山中步道因風吹而形成的鬆厚雪堆，探索人員最好還是避開這些地方，精神號和機會號兩部火星探測車，就曾經陷在這類地方動彈不得。
儘管大氣具有阻擋功能，在火星地表的結構中，與撞擊有關聯的地質現象依然佔了多數，首位造訪的地質學家必須解讀噴濺物質、裂縫和岩石受衝擊產生的變化。不過，不是所有岩石都與撞擊有關，在許多裂谷和其他地區各處都可以看見層狀的岩石，顯示其主要結構為沉積岩或火山層。撞擊形成的地表岩屑並沒有覆蓋所有地表，許多地方都有下層底岩的露頭，可用一般方式進行地質觀察及採樣。
月球上相當乾燥，火星上則有液態水刻劃出的地形與形成的新礦物。在實驗室中檢驗月球樣本時，並未發現含水礦物，但軌道感測器和機器分析火星礦物的結果，都偵測到多種含水黏土，以及可能是在水中沉澱出來的硫酸鹽。除此之外，月球岩石含有未氧化的鐵金屬，但火星岩石含有大量氧化鐵沉積物（即赤鐵礦Fe2O3），也是曾經出現液態水作用的跡象。火星地質學家必須具備更強的能力，準備研究比月球還多的各種礦物。水還會搬移物質，能夠削出山谷；另外，某些撞擊似乎融化了地下的冰，形成泥流。
整體而言，火星表面岩屑通常含有撞擊噴出物質和來自泥流或洪水的碎屑，混合著風吹塵土層。在火星的兩極地帶，還可看見水、乾冰和霜，鳳凰號登陸艇已經證明了這一點。相較之下，月球土壤的成份則沒有那麼複雜。
由於火星和月球之間的這些差異，實地探測火星的地質學家也將面臨新的挑戰，他們同樣必須具備有如X射線般的視覺，不過會比較接近在地球上所需的視覺，因為他們還必須將風、重力和水搬移物質的效應考慮在內。在其他方面，探索工作或許會比在月球上輕鬆。由火星傳回來的相片顯示，雖然細小的風吹塵土會在岩石上形成很薄的鏽斑狀覆蓋物，但風往往也會將表面吹乾淨，因此塵土的顏色不太會妨礙肉眼辨識岩石和礦物。
跟探索月球比較類似的部份，或許是視覺形變。在大氣相當稀薄或完全真空的環境中，我們的大腦很容易低估距離，就像在地球上空氣特別乾淨的沙漠和高山等地；缺少房屋、樹木、矮樹叢、電線桿之類的東西，會使情況更加嚴重。阿姆斯壯在阿波羅11號登陸月球後，首先注意到這個問題。我的解決方法是先測定自己影子的長度，將目測長度和實際長度兩者相比，得知正確的距離應該是自己估計的長度的1.5倍左右。
地面塵土也會愚弄我們的眼睛。在月球上，只要我們將視線移開太陽，塵土就會造成強烈的背向散射。我們如果直視自己投射在雪地上的影子，或是搭飛機飛越茂密的森林或農田上空時看著飛機的影子，就可看見這種現象。火星太空人也看得到這種現象，背向散射會將光投射到陰影上，但太空人的視線朝向太陽時所看見的陰影，只能由其他地表特徵散射而來的少量光所照明。我們每照一張相片，就必須依據相機和太陽光的相對角度調整光圈值。未來的探索相機和攝影系統應該具備隨亮度自動調整的功能。
前往火星的最大挑戰
我個人在月球上感覺相當自在。我將這種舒服的感覺歸因於自己非常有興趣並受過完善的訓練，以及對地球上的後援團隊充滿信心。但前往月球只需花費三天半，而如果使用傳統化學火箭，前往火星至少要花費8~9個月；即使採用可持續對太空船加減速的核融合或電能推進方式，加快飛行速度，也要花上數個月。遠水救不了近火，因此火星登陸組員必須比月球登陸組員更能自力更生。
另外，我覺得心理因素可能不算是很大的問題。和為期僅數天的登月航行相比，登陸火星至少要幾個月才能回家，對某些人而言的確可能造成負面影響，但在歷史上，世界各地的探險家也是如此承受著與家人分離的辛苦，而且過去的探險家完全無法與外界互通音訊。火星太空人的動機、訓練、團隊信心與生存本能應該和阿波羅號太空人相同；太空船的操作與維護、科學任務、運動健身、未來任務的模擬訓練、更新探索計畫以及其他許多工作，會讓每位太空人都十分忙碌。事實上，從目前為止的太空航行史看來，組員在心理上面臨的最大挑戰就是如何放鬆，任務規劃人員必須時時記住這一點。
影響火星探索工作效率的主要因素，和在月球上的一樣，就是必須穿上加壓的太空衣。我們探索陶拉斯–利特羅峽谷時，穿著阿波羅7LB太空衣，在十分惡劣的環境下執行非常多現場工作。這套太空衣加壓到每平方公分0.259公斤，大約是地球海平面大氣壓力的1/4。我可以穿著太空衣，用類似越野滑雪的滑步，以10公里的時速連續跑上好幾公里。我們使用工具並且分工合作，因此能在大約18小時的探索中，以合理的速度蒐集了約110公斤的岩石和月表岩屑，拍下記錄照片，再包裝起來。雖然我希望腿部、腰部和手臂能更方便活動一點，但是阿波羅7LB太空衣已經不錯了。
唯一比較有問題，或者說曾經造成明顯疲勞和手部不適的，是太空衣的手套。我們要重返月球或前進火星時，手套一定要改良，它的手指部份不夠柔軟，當時我的前臂大約30分鐘後就覺得很疲勞，好像不斷捏著網球一樣。不過休息8小時後，我已經不覺得肌肉痠痛，這是在1/6重力下心血管循環效率提高所帶來的好處。但經過三次8~9小時的加壓過程後，我不敢想像手套會造成多嚴重的手部擦傷和指甲傷害。
太空衣技術或許會繼續改良，讓太空衣手套或功能類似的部份能如人手般靈活，太空衣本身也能像越野滑雪裝一樣讓人活動自如。依據太空人建造國際太空站的經驗，現在我們已經知道一些健身訓練技巧，可以加強訓練手臂肌肉，適應連續不斷的手部施力。除此之外，機器助手或許可協助計畫橫越路線，其他的新程序與設備也可進一步提升探索工作的效率。
尋找適合的組員
由於當時阿波羅計畫在政治上亟需有所成果，以及計畫初期規劃的試飛需求，因此有經驗、可擔任登月任務小組固定成員的地質學家人選並不多。NASA大多挑選專業飛行員和軍事飛行員，只挑了一名接受過飛行訓練的地質學家（也就是我）。所有組員都必須不斷學習，直到能熟悉並有自信地運用航行所需的各種機械與方法，地質學家不能單純只當「乘客」。
10年之後，星座計畫從月球返回時，這種狀況應該就會開始轉變。每個登月小組都應該編制有專業的實地探索人員，為火星探索任務建立先例。和最後幾次阿波羅任務相同，所有組員與後援團隊都必須盡可能針對實際地質問題在地球上接受實地訓練。初期的探索小組最佳人數應該是四人：兩名兼具實地探索人員和系統工程師功能的專業飛行員（這個部份和阿波羅登月小組相同），一名兼具飛行員、系統工程師和現場生物學家功能的專業地質學家，以及一名兼具醫師和地質學家功能的專業生物學家。
有了這些交叉訓練，任務成功與否不是取決於個人，而是團隊合作。除了必須做好充份準備，為整個團隊貢獻特定技術，火星小組的每個成員都必須百分之百接受階級式的指揮架構。在歷史經驗上，小規模的獨立探索團隊如果擁有頭腦清醒、經驗豐富的領導者，獲得的成就最大。
火星探索和月球探索在許多方面有所不同。首先，由於航行所需時間長達數個月，組員必須在航程中持續練習降落與其他飛行步驟。在阿波羅任務中，我們是在地面模擬裝置演練降落，最後一次練習是在發射升空前幾天，因此我們只相隔不到一個星期，就降落在月球表面。在火星航行中，發射升空和降落將會相隔九個月之久，如果沒有在太空船中進行定期訓練，這段空檔顯然太長。
第二，由於通訊延遲時間相當長（單程傳送就需要22分鐘），地球上的地面管制中心只能處理不需與組員即時互動的工作，例如資料分析與合成、每週計畫、系統與消耗品監控與分析、維修規劃，以及預估局勢發展等，實際的任務管制作業必須由太空人自己執行。舉例來說，任務可能必須由兩名組員執行，一名負責降落，另一名留在軌道上，充當任務管制中心，直到第一名組員回到軌道後，第二名組員才能降落，探索另一個地點。
這種程度的自主管理其實不是沒有先例可循，在阿波羅任務中，儘管我們已在發射升空前，依據現有的相片規劃好探索工作，NASA還是保留了很大的自主空間給組員，讓組員研究意料之外的目標。舉例來說，在阿波羅17號第二次探索接近尾聲時，我在矮子隕石坑周圍發現橙色的火山玻璃，當時在這個地點的工作時間只剩30分鐘，賽南和我沒有枯等任務管制中心的建議，就開始描繪、拍攝和採取沉積物的樣本。我們沒有時間和管制人員討論計畫，但我們立刻就能判斷該做什麼事，前往火星的太空人也必須採取這種方式，因為地球任務管制中心要等到事情發生後數十分鐘，才能了解全部狀況。
火星任務與阿波羅任務的第三個不同點是，由於火星探索任務花費相當龐大，在歷史上又十分重要，因此可說只許成功、不許失敗。不管發生什麼問題，太空人都必須繼續執行任務，並達成所有重要目標。舉例來說，理論上太空船應該裝載兩具登陸艙，以防其中一具無法使用。不僅如此，如果在進入大氣、降落和登陸過程中，系統或軟體出現異常，太空人必須能夠中斷程序，直接登陸，而不是如同阿波羅計畫所規劃的中斷程序，回到軌道。只要組員安全登陸火星，花點時間與地球人員商討後，這些問題都可以解決。
現在的年輕人將可探索火星，但必須由他們的上一代和上上一代提供機會，而且要做到這一點並不容易。任何值得一試的事情，都有風險存在。除了新知識可帶來相當大的成就感之外，停止探索必須付出的代價也相當高昂，一再延遲早已計畫好的火星探索，將使美國落在其他國家的腳步之後。不僅如此，如果不逐步學習如何探索，以及最後該如何定居於其他世界，人類的生存將繼續受太陽系中小行星和彗星之類的巡遊天體威脅。好奇心、歷史的教訓以及人類保護自己的本能，在在驅策著我們不斷向外探索。
（本文由科學人提供，原載科學人2009年第89期7月號）
