四十年前的這個月，月球表面首次充滿了生命的氣息。四十年後的火星，也會變得生機勃勃嗎？巴拉克·奧巴馬總統肯定了他的前任在2004年提出的載人航天飛行宏偉目標：在2010年退役太空梭，開發替代火箭系列（命名為阿瑞斯），在2020年重返月球，並在2030年代中期前往火星[參見查爾斯·丁格爾、威廉·A·約翰斯和朱莉·克萊默·懷特撰寫的“前往月球及更遠的地方”；《大眾科學》，2007年10月]。該計劃被稱為星座計劃。
目前，政策制定者更擔心的是，在最後一次航天飛機發射和首次阿瑞斯火箭發射之間的停機期，在此期間，美國將依靠俄羅斯或私營公司將其宇航員送入軌道。最初預計為期兩年的差距已擴大到六年，奧巴馬政府在五月份宣佈，前航空航天主管諾曼·奧古斯丁將領導對該計劃的審查，以瞭解如何使其重回正軌。
雖然火星仍然遙遙無期，但至少美國國家航空航天局（NASA）正在設計航天器，著眼於最終的星際飛行。規劃者們以哈里森·H·施密特在以下文章中講述的經驗為指導。——編者
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比科羅拉多大峽谷的峭壁還要高的山脈聳立在金牛座-利特羅峽谷狹長的山谷之上。明亮的太陽，比地球上任何太陽都要明亮，照亮了佈滿隕石坑的谷底和陡峭的山坡，與漆黑的天空形成鮮明對比。1972年，我和我的宇航員夥伴吉恩·塞爾南在這個近四十億年前的峽谷中，以及稍微年輕的火山熔岩岩石和部分填充它的火山灰中，進行了為期三天的探索——結束了阿波羅計劃。這是第一次，也是迄今為止唯一一次地質學家對另一個世界進行實地研究。現在，美國、歐盟、俄羅斯和其他國際合作夥伴正在考慮派遣宇航員前往火星進行實地考察，可能在本世紀前三分之一的時間內開始。對於第一位踏上紅色火星日出的地質學家來說，什麼是新的，什麼是熟悉的呢？
大多數關於阿波羅任務的描述都集中在它們歷史性的首次和高科技成就上，但我們這些參與者也記得低科技、人性化的一面：在地形上徒步旅行，用岩石錘敲擊，搬運岩石，並在外星條件下確定方位。任何地質學家都會認出我們應用的野外勘探的原理和技術。基本原理沒有改變。目標仍然是記錄和圖形化地表示自然特徵的結構、相對年齡和蝕變，從而推斷它們的起源以及它們有一天可能為文明提供的資源。離開地球也沒有改變與探險計劃和執行相關的原則，例如如何收集和記錄樣本；如果說有什麼不同的話，那就是當重訪同一地點變得不太可能時，這些原則就變得更加重要。尤其不變的是，在充分實現勘探的科學和人文價值方面，對人類的觸覺、經驗和想象力的需求。
對於人們探索的每一個新的天體，我們都必須建立在我們探索上一個去過的地方的經驗之上——正如地質學家在地球上兩個多世紀以來所做的那樣。我們必須不斷地問，什麼可能是相似的，什麼可能是不同的。火星的地質、可達性、勘探策略和最佳宇航員組成將如何與阿波羅的經驗相比較？
月球實地考察
地球上極其複雜的影響因素影響著地質特徵。地殼、岩漿、水和大氣相互作用；海洋板塊和大陸破裂和碰撞；來自太空的物體撞擊；生物圈，包括人類，改變了地貌。在月球上，過去四十億年的影響主要來自外部，僅限於撞擊和構成太陽風的高能粒子的影響[參見保羅·D·斯普迪斯撰寫的“新月”，《大眾科學》，2003年12月，以及傑弗裡·埃格林頓、詹姆斯·R·麥克斯韋和科林·T·皮林格撰寫的“月球的碳化學”；《大眾科學》，1972年10月]。
沒有大氣層使地表物質暴露在太空的超高真空環境中。流星和彗星，有些小到塵埃顆粒，以每秒數十公里的速度行進，撞擊並改造著岩石、岩石碎片、玻璃和塵埃。這個過程在月球上產生了所謂的“土壤”：一種由破碎的和部分玻璃化的碎屑組成的覆蓋層，稱為月球風化層，它覆蓋了大多數較老的火山流和較老的撞擊生成地層，深度達數米。因此，月球上的野外勘探要求地質學傢俱有某種X射線視覺。為了識別主要岩石單元之間的介面或接觸面，我必須想象撞擊產生的風化層逐漸形成和擴散如何擴大和減弱了岩石礦物、顏色和紋理的原始對比。
例如，在金牛座-利特羅峽谷中，我探索了深色、細粒玄武岩流與較老的、灰色的、破碎的岩石（稱為撞擊角礫岩）之間的接觸面。當這個接觸面形成時，它一定是清晰的——岩石型別之間的突然結合處。但是，經過38億年的太空暴露，它已經在幾百米的範圍內被抹平了。在其他地方，塵埃雪崩沉積物與深色風化層之間的接觸面在雪崩發生後的1億年中僅擴散了幾十米。通過了解積極改造這些接觸面的過程，我可以確定它們的原始位置。同樣，地球上的地質學家必須確定陸地侵蝕如何掩蓋或覆蓋下伏岩石接觸面和構造。
在月球表面暴露的巨礫中進行不同岩石型別的野外識別，需要了解連續微隕石轟擊的影響。當極高速粒子撞擊表面時，它們會在撞擊點產生區域性高溫等離子體並熔化岩石。噴射出的等離子體和熔融岩石重新沉積在附近的表面上，在整個巨礫上產生一層薄薄的、棕色的、玻璃狀的銅綠——其中含有極小的鐵顆粒。正如地球上的地質學家必須透過地球乾燥地區暴露岩石上的沙漠漆進行觀察一樣，我也必須快速掃描和解釋這種銅綠下面的東西，直到我可以用錘子敲擊或打破巨礫。
打斷月球銅綠的小撞擊坑包含不同顏色的玻璃，反映了受撞擊礦物化學成分的變化。當坑洞形成在白色礦物（例如斜長石，火山岩的主要成分）上時，結果是淺灰色玻璃和一個獨特的白點，這是由礦物顆粒中非常細小的蜘蛛網裂縫引起的。當富含鐵或鎂的礦物受到撞擊時，結果是綠色玻璃。瞭解這個過程使我能夠僅透過觀察來確定岩石的成分。
探險家們將在火星上發現什麼？
在火星上，科學家們期望的影響因素結合了影響地球和月球的影響因素，因為紅色星球的大小介於兩者之間。事實上，我們不斷增長的關於火星的地質知識已經證實了這種過程的融合。自從軌道照相機和海盜號探測器提供的第一批照片以來，我們就知道火星上的地質特徵是內部和外部影響共同作用的結果。
與月球不同，火星有一個稀薄的大氣層，地面壓力約為地球海平面壓力的1%。這種大氣層的存在改變了地質覆印，探險家們必須評估並透過它來識別、分析和理解下伏岩石單元。大氣層過濾掉了小型流星和彗星——那些能夠形成小於約30米直徑的隕石坑的流星和彗星。因此，地表不像月球那樣被撞擊產生的噴射物覆蓋。相反，主要的遷移物質是風吹起的塵埃。塵埃來自各種來源，例如被風侵蝕的岩石、滑坡、撞擊和化學反應。它形成了柔軟的沙丘，探險家們可能需要避開這些沙丘，就像地球平原和山口中深厚的、風形成的雪堆一樣。事實上，“勇氣號”和“機遇號”探測器有時會被困住。
儘管大氣層具有過濾作用，但與撞擊相關的地質仍然主導著大多數暴露的火星地層的地表和近地表結構。第一批地質學家必須破譯噴射物、裂縫和岩石的衝擊變質作用。然而，並非所有岩石都與撞擊有關。在許多裂谷以及其他區域，類似於沉積岩或火山岩層的層狀岩石占主導地位。撞擊產生的風化層不是連續的，許多下伏火星基岩地層的露頭可以進行正常的的地質檢查和取樣。
月球是乾燥的，而液態水在火星上塑造了地貌並創造了新的礦物。對月球樣本的實驗室檢查未在其中發現含水礦物，但對火星礦物的軌道感測器和機器人分析檢測到各種含水
粘土以及可能從水中沉澱出來的硫酸鹽。此外，與岩石中含有非氧化鐵金屬的月球不同，火星擁有廣泛的氧化鐵（赤鐵礦，Fe2O3）礦藏，這是液態水處理的另一個跡象[參見吉姆·貝爾撰寫的“紅色星球的含水歷史”，《大眾科學》，2006年12月，以及菲利普·R·克里斯滕森撰寫的“火星的千姿百態”，《大眾科學》，2005年7月]。火星地質學家必須準備好解釋比我們在月球上遇到的礦物種類多得多的礦物。水也輸送物質。它雕刻了峽谷，一些撞擊似乎融化了地下冰，從而產生了泥石流。
總而言之，火星風化層通常由撞擊噴射物和來自泥石流或洪水的碎屑組成，並與風吹起的塵埃分層。正如鳳凰號著陸器最近證實的那樣，在極地地區，它還含有水和二氧化碳冰和霜。月球風化層遠沒有那麼複雜。
由於與月球的這些差異，火星野外地質學家將面臨新的挑戰。探險家仍然需要X射線視覺；然而，它將更像地球上所需的那種，在那裡必須考慮到風、重力或水輸送物質的影響。在其他方面，勘探可能比在月球上更容易。來自火星的影像顯示，雖然細小的、風吹起的塵埃在許多岩石上形成非常薄的、類似銅綠的塗層，但風經常清潔表面，因此塵埃塗層不會成為目視岩石和礦物識別的重大障礙。
與月球勘探的一個相似之處可能是視覺變形。在真空或稀薄的大氣中，我們的大腦傾向於低估距離。人們在地球沙漠和山區的晴朗空氣中也會遇到同樣的問題；缺乏熟悉的物體，如房屋、樹木、灌木叢、電線杆等，使情況變得更糟。尼爾·阿姆斯特朗在阿波羅11號著陸後首先注意到了這個問題。我學會了透過將我已知的陰影長度與它看起來的長度進行比較，然後將我的距離估計值放大約50%來補償。
表面塵埃也會對眼睛造成錯覺。在月球上，當我們直接背對太陽看時，它會引起強烈的後向散射光。這種所謂的逆光效應——看起來像一個明亮的、漫射的光點——與在雪地裡看向自己的陰影或在飛越綠葉茂盛的森林或農田時看向飛機的陰影所看到的現象相同。火星宇航員也會看到它。後向散射為陰影提供了一些光線，而朝向太陽方向看到的陰影僅被從其他表面特徵散射的少量光線照亮。我們必須相對於太陽線調整相機的光圈，才能為我們拍攝的每張照片進行調整。未來的勘探相機和影片系統應該能夠自動適應照明條件。
進入的難度
我在月球上時個人感覺非常自在。我將這種舒適感歸因於高度的動力和高度的訓練，以及對地球上支援團隊的巨大信心。但是月球只有三天半的路程。使用傳統的化學火箭，火星至少需要八到九個月的路程。即使使用聚變或電力推進，透過持續加速和減速飛船來加速旅程，也需要數月時間[參見喬治·穆瑟和馬克·阿爾珀特撰寫的“如何前往火星”，《大眾科學》，2000年3月]。由於其孤立性，火星宇航員必須比月球宇航員更加自力更生。
也就是說，我懷疑心理問題不會成為太大的問題。返回家園至少需要幾個月的時間，而不是幾天的時間，這可能會對某些人產生不利影響，但地球探險家已經克服了這種甚至更糟糕的挑戰。從歷史上看，冒險家們遭受的與家園分離的時間與早期火星宇航員相當——而且沒有任何遠端通訊手段。火星宇航員的動力、訓練、團隊信心和生存本能將與阿波羅計劃的宇航員非常相似。每個人都會非常忙於航天器操作和維護、科學任務、體育鍛煉、未來任務的模擬訓練、勘探計劃的更新以及許多其他職責。事實上，如果迄今為止的航天飛行歷史有任何跡象表明，那麼找到個人放鬆時間可能是宇航員面臨的主要心理挑戰。地面上的規劃者需要牢記這一點。
正如在月球上一樣，火星勘探效率的主要制約因素將是需要穿戴加壓宇航服。我們在金牛座-利特羅峽谷勘探期間使用的阿波羅7LB宇航服使我們能夠在非常惡劣的環境中完成大量的野外工作。宇航服的壓力為每平方英寸3.7磅，約為地球海平面大氣壓的四分之一。如果需要，我可以穿著它以大約每小時6英里的穩定速度跑幾英里，使用越野滑雪步態。憑藉我們擁有的工具和作為一個團隊的工作，我們可以以合理的速度採集樣本、拍照記錄並將其裝袋。在大約18小時的勘探中，我們收集了250磅的岩石和風化層。我本希望腿部、腰部和手臂的活動性更好，但我們擁有的A7LB宇航服奏效了。
幾乎沒有奏效，或者至少造成了嚴重的疲勞和手部創傷的是宇航服手套。當我們重返月球並前往火星時，必須對手套技術做些改進。手指的靈活性受到限制，我的前臂在約30分鐘後變得疲勞。這就像持續擠壓網球。經過八小時的休息後，我沒有感到任何肌肉痠痛——這是六分之一重力下更有效的心血管迴圈的一個優勢。但是在經歷了三次八到九小時的加壓遠足後，我不確定在手套造成的手部擦傷和指甲損傷的情況下，還能進行多少次遠足。
宇航服技術可能會發展到使宇航服手套或其等效物接近人手的靈巧性，並且使宇航服本身變得像越野滑雪服裝一樣靈活[參見格倫·佐佩特撰寫的“單人宇宙飛船”，《大眾科學》，2000年6月]。可以想象，機器人野外助手可以幫助進行預先規劃的路線。此外，根據宇航員建造國際空間站的經驗，我們現在瞭解了可以為手臂肌肉的持續手部用力提供卓越狀態的體育訓練技術。其他新的程式和裝置可以進一步提高勘探效率。
組建宇航員團隊
早期阿波羅計劃規劃和開發的政治緊迫性和試飛性質使得幾乎沒有選擇經驗豐富的野外地質學家作為月球任務宇航員的正式成員。美國國家航空航天局（NASA）主要選擇了經過飛行員訓練的測試飛行員和軍事飛行員，只有一名經過飛行員訓練的野外地質學家（我）。所有宇航員都需要在使用飛行所需的機器和方法方面經驗豐富、能力出眾且充滿信心。沒有野外地質學家“乘客”的餘地。
從星座計劃在十年左右後重返月球開始，這種情況應該會改變。專業的野外探險家應該成為每次送往月球的宇航員團隊的成員，為火星勘探樹立先例。與最後幾次阿波羅任務一樣，所有宇航員和他們的操作支援團隊都應該儘可能多地接受關於真實地質問題的陸地實地訓練。早期勘探的最佳宇航員團隊規模似乎是四人：兩名經過交叉訓練的專業飛行員，擔任野外探險家和系統工程師，就像阿波羅月球宇航員團隊所做的那樣；一名經過交叉訓練的專業野外地質學家，擔任飛行員、系統工程師和野外生物學家；以及一名經過交叉訓練的專業野外生物學家，擔任醫生和野外地質學家。
透過這種交叉訓練，任務的成功不取決於任何個人，而是取決於團隊合作。除了充分準備好為一個整合的團隊貢獻專門技能外，火星宇航員團隊的每位成員都必須完全且毫不猶豫地適應等級指揮結構。從歷史上看，小型、孤立的探險隊在經驗豐富的領導者的明確領導下工作時，取得了最大的成功。
在許多方面，火星勘探將不同於月球勘探。首先，由於行程將以月而不是天來衡量，宇航員團隊需要在整個旅程中繼續練習著陸和其他飛行程式。對於阿波羅任務，我們在地面模擬器中排練著陸，我們的最後一次演練是在發射前幾天，當時離我們開始動力下降到月球不到一週的時間。對於火星之旅，發射和著陸之間的間隔將約為九個月——顯然太長了，沒有定期的機載訓練活動。
其次，由於通訊的長時間延遲（單向長達22分鐘），地球上的地面控制將無法執行傳統的任務控制功能。地球將改為處理不需要與宇航員進行即時互動的活動，例如資料分析和綜合、每週計劃、系統和消耗品監控和分析、維護計劃以及情景開發。實際的即時任務控制功能將需要由宇航員自己執行。例如，任務可能由兩個宇航員團隊組成，其中一個團隊著陸，而另一個團隊留在軌道上充當軌道任務控制中心。當第一個團隊返回軌道時，第二個團隊下降並探索不同的地點。
這種程度的自主性並非史無前例。即使在阿波羅計劃期間，儘管我們在發射前使用可用的照片規劃了月球勘探活動，但美國國家航空航天局（NASA）還是給宇航員團隊留下了很大的自由度來追求意想不到的機會目標。例如，在阿波羅17號第二次勘探期的後期，我在肖蒂隕石坑邊緣發現了橙色火山玻璃，當時在該地點只剩下30分鐘的工作時間。在沒有等待任務控制中心的建議的情況下，吉恩和我開始描述、拍照和採集沉積物樣本。我們沒有時間與控制人員討論這個計劃，但我們立即知道需要做什麼。火星上的宇航員團隊將始終需要完全採用這種方法，地球上的任務控制中心將在幾十分鐘後才瞭解所有情況。
與阿波羅計劃的第三個不同之處在於，鑑於每次火星探測任務的費用和歷史重要性，任務理念必須完全以成功為導向。如果出現問題，宇航員應該仍然能夠繼續他們的任務並實現其所有主要目標。例如，飛船最好攜帶兩個著陸器，以防其中一個無法使用。此外，如果在進入、下降和著陸序列期間發生系統或軟體異常，宇航員應該能夠中止著陸而不是中止進入軌道，就像阿波羅計劃期間的計劃那樣。一旦宇航員安全著陸火星，這些問題就可以在與地球協商後及時解決。
現在的年輕人將有幸和冒險去探索火星，如果他們的父母和祖父母為他們提供機會的話。這絕非易事。與任何有價值的事情一樣，都存在風險。不僅來自新知識的回報是巨大的，而且停止我們探索的代價也將是巨大的。將火星探索推遲到已經計劃的日期之後，將使美國人步其他探險家和國家的後塵。此外，如果不逐步努力學習如何探索並最終在其他世界定居，人類的生存將仍然容易受到太陽系小行星和彗星旅行者的撞擊。好奇心、歷史的教訓和我們的自保本能都要求我們繼續向外邁進。
注：本文最初印刷時標題為“從月球到火星”。