火星距离地球2.25亿公里,宇航员到火星去,需要多长时间?

自从上世纪60年代以来,人类已经向火星发射了数十个探测器,而人类探索火星的下一步,应该就是亲自到火星上去了。
尽管这是一个巨大的挑战,但这也并非完全不可能完成的任务。
那么,以人类现有的科技水平来看,我们的宇航
【菜科解读】
在太阳系中,火星算得上是地球的近邻了,地球上的我们,仅凭肉眼就能看到它,所以从古到今的人类,都很关注这颗红色的星球。
自从上世纪60年代以来,人类已经向火星发射了数十个探测器,而人类探索火星的下一步,应该就是亲自到火星上去了。
尽管这是一个巨大的挑战,但这也并非完全不可能完成的任务。
那么,以人类现有的科技水平来看,我们的宇航员到火星去,需要多长时间呢?
这个问题其实没有一个简单的答案,因为它取决于多种因素,比如地球和火星的相对位置、宇宙飞船的速度和设计、航行的路线等等,下面我们就来具体讲一下。
通常所说的火星距离地球2.25亿公里,其实是指火星与地球的平均距离,实际上,因为地球和火星的运行速度不同,所以它们之间的距离也在不断变化,最远时可达4亿公里左右,而最近时则只有大约5500万公里。
为了节省燃料和时间,我们当然会在选择火星与地球距离最近的时间段里发射飞船,这个时间段也就是人们所说的发射窗口,随着火星和地球的运动,发射窗口大约每26个月就会出现一次。
就目前的情况来看,人类向火星发射飞船的航行路线主要有两种,第一种被称为冲点航行(Opposition mission),简单来讲,这种路线就是,飞船会先去金星那里转一圈,并利用金星的引力弹弓为自己加速,然后再飞向火星。
冲点航行的优点是可以大幅地节省燃料,但其缺点也是显而易见的,那就是这种路线会使飞船航行的时间变得很漫长,通常都需要1年多的时间才能抵达火星,而宇航员到火星去,当然是越快越好,所以这并不是一个好的选择。
实际上,我们的最佳选择其实是第二种路线,这被称为地火转移轨道,顾名思义,这种路线就是直接从地球到火星,但需要指出的是,地火转移轨道并不是想象中的那样走直线,为什么呢?
这是因为地球的公转速度高达每秒钟大约29.8公里,而从地球发射的飞船,也会具备这样的速度,如果要走直线的话,飞船就必须消除这个速度,而在消除了这个速度之后,飞船又需要凭借自身的动力来与太阳的引力抗衡,这些都需要大量的能量,而以人类目前的科技水平来讲,根本就无法给飞船提供如此多的能量。
所以人类目前采用的方法是,在地球公转速度的基础上,给飞船一个速度增量,使飞船运行轨道升高到火星的公转轨道上,如此一来,只需要事先精确计算好飞船的运动轨迹,就可以让飞船在运行到火星公转轨道上时,刚好与火星相遇。
根据速度增量的不同,地火转移轨道也会有很多种,其中最节约燃料的路线被称为霍曼转移轨道(Hohmann transfer orbit),只需要每秒钟3.3公里,就可以抵达火星,所以人类此前发射的探测器,很多都是走的这种路线,其需要的时间大约为259天。
当然了,送宇航员到火星去,首先考虑的应该是如何节省时间,所以我们可以在条件允许的情况下,尽量提升飞船的速度增量,毕竟速度增量越大,飞船运行轨道升高得越快,通常来讲,我们将这种比霍曼转移轨道更快的路线称为快速合点航行(Fast conjunction mission)。
(上图标示的轨道A、B、C,分别是霍曼转移轨道、快速合点航行和冲点航行)
#p#分页标题#e#飞船的速度增量取决于它的推进系统,尽管人类已经开发出了比冲量相对很高的空间电推进系统(如离子推进器),但它们的推力却相对很小,无法满足载人飞船的需求,所以目前载人飞船的推进系统,都是化学火箭。
化学火箭的优点是它们可以产生很大的推力,足以让飞船脱离地球的引力,但其缺点是比冲量相对很低,就目前的实际情况来看,在选择快速合点航行时,化学火箭能够给飞船提供的最大速度增量大约为每秒钟6公里,抵达火星需要大约180天。
也就是说,从理论上来讲,以人类现有的科技水平来看,宇航员到火星去,至少需要180天的时间,但由于载人飞船需要携带宇航员所需的食物、水、氧气以及太空维生系统等等,其有效载荷会比无人飞船更大,所以这个时间还要长一点,根据科学家的乐观估算,至少需要200天的时间。
巴西南部圣卡塔琳娜州遭遇严重飓风?近600只企鹅被冲上沙滩死亡
当地海洋动物护理机构PMP-BS人员表示,当地9日遭严重飓风侵袭,在部分地区甚至出现时速超过100公里的超强阵风,导致许多野生动物被吹到沙滩上,在所发现的企鹅中596只已经死亡,还有很多遗体已经彻底腐烂,怀疑可能在被吹上岸之前就已经溺死海中。
当地媒体指出,麦哲伦企鹅每年6月至10月,都会从福克兰群岛、阿根廷、智利等地迁徙到巴西圣卡塔琳娜岸边觅食,由于企鹅不像其他鸟类会飞,所以遇到因强风影响而吹起的巨浪时更难逃生,才会不幸淹死在大海中。
南极洲发现世界上最古老的冰芯?可能保存了500万年
现在,科学家们已经确定了可能是世界上最古老的冰芯的日期,其中一些部分可能保存了500万年前的样本。
南极洲等地的冰就像一个时间胶囊:它古老的、被困住的气泡提可以捕捉到几千年甚至几百万年前的地球大气的原始样本。
科学家们一直在寻找越来越古老的冰来扩大地球的气候记录。
像二氧化碳浓度这样的标志物可以与其他古代记录进行交叉检验,以更深入地了解遥远的过去气候是什么样的,以及事情是如何变化的。
现在,一个研究小组可能比以往任何时候都更深入地了解了迄今为止钻探到的最古老的冰芯。
该样本取自南极洲的Ong Valley,那里的冰川漂移使古冰层相对接近地表,受到一层岩石的保护。
在2017年和2018年的南半球夏季,该团队钻探了一个长9.5米(31英尺)的冰芯,并在此后分析了不同深度的材料的年龄。
研究人员检查了整个冰芯中铍、氖和铝的同位素的积累情况。
这些同位素是由高能宇宙射线与岩石物质碰撞产生的,其浓度可以提供一个指示,说明一个层最后暴露在表面的时间。
由此,研究小组能够计算出,该冰芯是由两个大的冰块堆积在一起组成的,这可能是由两个独立的冰川事件引起的。
上面的部分估计有300万年左右的历史,而下面的部分被测定为430万至510万年之间。
这几乎是之前的记录保持者(270万年)的两倍。
当然,这些都是估计,虽然可能有误差的空间,但研究小组说,分析三种不同的同位素使他们对年龄范围相当有信心。
虽然对400或500万年前的地球的一瞥无疑是非常宝贵的,但科学家们把目光投向了保存气候连续记录的冰芯。
目前的记录保持者横跨80万年,但科学家们的目标是收集不间断地延伸到一百万年的冰芯。
其中一些项目,包括Beyond EPICA,已经进行了几年的钻探活动。
这项新研究发表在《Cryosphere》杂志上。
相关报道:科学家发现世界上最古老冰芯(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学报(李木子):南极洲的冰层就像一个时间胶囊,其中的古老气泡提供了数千年前的地球大气层快照。
为了延长地球的气候记录,科学家一直在寻找最古老的冰层。
如今,一个团队可能发现了“金矿”。
研究人员在横贯南极山脉的昂谷发现了一根近10米长、充满沉积物的冰芯。
他们估计这些冰有500万年的历史,可能是迄今为止发现的最古老的冰。
科学家7月15日发表在《冰冻圈》杂志上的用于测量冰芯年代的方法,可能为研究其他更古老的冰层样本铺平了道路。
大多数用于科研的冰芯都是从南极洲东部的一些地点收集的,那里的冰层由于降水而一层层沉积下来,甚至比昂谷的冰层更干净。
几个国际团队正在竞相从这些更为有序的地下深层沉积物中提取最古老的连续冰芯,并希望能得到延伸至150万年前的无缝大气情况时间线。
然而,新的方法可以确定更古老冰层样本的年代。
这些样本是由冰川沉积而成的,因为它们更接近地表,所以更容易获取。
这是文章主要作者Marie Bergelin的观点。
作为一位冰川地质学家,她在美国北达科他大学工作期间曾参与了昂谷冰川项目。
Bergelin并没有深入地下钻取冰芯,而是寻思:“我们还能在哪里找到古老的冰?我们还能去哪里找到独特的矿床?”2017~2018年,研究人员在昂谷收集了冰芯,他们选择的提取地点远离任何可能污染样本的落石区域。
研究人员根据对该地区冰沉积情况的了解开发了一个模型,描述了稀有的铍、铝和氖同位素是如何随时间推移在冰中累积的。
在将该模型的预测结果与10米长冰芯中测得的同位素剖面进行比较后,他们估算出,在一定深度内,一些冰的历史大约有300万年。
在该深度以下,同位素浓度远高于预期,这使得研究小组得出结论,在昂谷的这一地区,两个独立的冰层相互堆叠。
他们估计,其中更古老、更深的冰层年代在430万年到510万年之间。
纽约城市大学冰川地质学家Alia Lesnek说:“他们实际上为这片冰层提供了以前无法做到的数据分析,这令人非常兴奋。
”其他研究人员对该结果表示质疑,因为Bergelin和同事没有收集到碳同位素水平等数据,而根据这些数据可能会得出不同的年代。
科学家还想知道,该模型是否能适用于昂谷以外的冰层。
Bergelin说,测量3种同位素应该足以得出结论,因为大多数研究只使用一种或两种同位素,而碳14的衰变速度太快,无法确定数百万年前的冰层年代。
她认为,该模型可以应用于其他具有类似、孤立和埋藏冰层的南极地区。
尽管如此,科学家仍然对该冰层的年代及其意义感到兴奋。
“这项研究提供了非常有力的证据,证明冰芯或冰层样本可以保存300万年或400万年。
”曾就职于普林斯顿大学的古气候学家Yuzhen Yan说,“这为未来的钻取作业开辟了新的可能性。
”目前,最古老的连续冰芯可以追溯到80万年前的气候记录。
但科学家希望有一个不间断的环境记录,可以追溯到大约100万年前,当时地球气候发生了重大变化,冰河期的周期减缓。
理解发生这种突然变化的原因,可能有助科学家明确今天的气候变暖将带来什么。
一些项目已经开始钻探。
其中包括俄罗斯的VOICE项目和10个欧洲国家的合作项目Beyond EPICA。
“我们的目标是从南极洲的不同地方获得多个冰芯,以确保记录的准确性。
因此,只有一个国家或一个团体是不可能做到的。
”日本东京国家极地研究所的古气候学家Kenji Kawamura说。