四十年前的这个月，月球表面首次充满了生命的气息。四十年后的火星，也会变得生机勃勃吗？巴拉克·奥巴马总统肯定了他的前任在2004年提出的载人航天飞行宏伟目标：在2010年退役航天飞机，开发替代火箭系列（命名为阿瑞斯），在2020年重返月球，并在2030年代中期前往火星[参见查尔斯·丁格尔、威廉·A·约翰斯和朱莉·克莱默·怀特撰写的“前往月球及更远的地方”；《大众科学》，2007年10月]。该计划被称为星座计划。
目前，政策制定者更担心的是，在最后一次航天飞机发射和首次阿瑞斯火箭发射之间的停机期，在此期间，美国将依靠俄罗斯或私营公司将其宇航员送入轨道。最初预计为期两年的差距已扩大到六年，奥巴马政府在五月份宣布，前航空航天主管诺曼·奥古斯丁将领导对该计划的审查，以了解如何使其重回正轨。
虽然火星仍然遥遥无期，但至少美国国家航空航天局（NASA）正在设计航天器，着眼于最终的星际飞行。规划者们以哈里森·H·施密特在以下文章中讲述的经验为指导。——编者
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比科罗拉多大峡谷的峭壁还要高的山脉耸立在金牛座-利特罗峡谷狭长的山谷之上。明亮的太阳，比地球上任何太阳都要明亮，照亮了布满陨石坑的谷底和陡峭的山坡，与漆黑的天空形成鲜明对比。1972年，我和我的宇航员伙伴吉恩·塞尔南在这个近四十亿年前的峡谷中，以及稍微年轻的火山熔岩岩石和部分填充它的火山灰中，进行了为期三天的探索——结束了阿波罗计划。这是第一次，也是迄今为止唯一一次地质学家对另一个世界进行实地研究。现在，美国、欧盟、俄罗斯和其他国际合作伙伴正在考虑派遣宇航员前往火星进行实地考察，可能在本世纪前三分之一的时间内开始。对于第一位踏上红色火星日出的地质学家来说，什么是新的，什么是熟悉的呢？
大多数关于阿波罗任务的描述都集中在它们历史性的首次和高科技成就上，但我们这些参与者也记得低科技、人性化的一面：在地形上徒步旅行，用岩石锤敲击，搬运岩石，并在外星条件下确定方位。任何地质学家都会认出我们应用的野外勘探的原理和技术。基本原理没有改变。目标仍然是记录和图形化地表示自然特征的结构、相对年龄和蚀变，从而推断它们的起源以及它们有一天可能为文明提供的资源。离开地球也没有改变与探险计划和执行相关的原则，例如如何收集和记录样本；如果说有什么不同的话，那就是当重访同一地点变得不太可能时，这些原则就变得更加重要。尤其不变的是，在充分实现勘探的科学和人文价值方面，对人类的触觉、经验和想象力的需求。
对于人们探索的每一个新的天体，我们都必须建立在我们探索上一个去过的地方的经验之上——正如地质学家在地球上两个多世纪以来所做的那样。我们必须不断地问，什么可能是相似的，什么可能是不同的。火星的地质、可达性、勘探策略和最佳宇航员组成将如何与阿波罗的经验相比较？
月球实地考察
地球上极其复杂的影响因素影响着地质特征。地壳、岩浆、水和大气相互作用；海洋板块和大陆破裂和碰撞；来自太空的物体撞击；生物圈，包括人类，改变了地貌。在月球上，过去四十亿年的影响主要来自外部，仅限于撞击和构成太阳风的高能粒子的影响[参见保罗·D·斯普迪斯撰写的“新月”，《大众科学》，2003年12月，以及杰弗里·埃格林顿、詹姆斯·R·麦克斯韦和科林·T·皮林格撰写的“月球的碳化学”；《大众科学》，1972年10月]。
没有大气层使地表物质暴露在太空的超高真空环境中。流星和彗星，有些小到尘埃颗粒，以每秒数十公里的速度行进，撞击并改造着岩石、岩石碎片、玻璃和尘埃。这个过程在月球上产生了所谓的“土壤”：一种由破碎的和部分玻璃化的碎屑组成的覆盖层，称为月球风化层，它覆盖了大多数较老的火山流和较老的撞击生成地层，深度达数米。因此，月球上的野外勘探要求地质学家具有某种X射线视觉。为了识别主要岩石单元之间的界面或接触面，我必须想象撞击产生的风化层逐渐形成和扩散如何扩大和减弱了岩石矿物、颜色和纹理的原始对比。
例如，在金牛座-利特罗峡谷中，我探索了深色、细粒玄武岩流与较老的、灰色的、破碎的岩石（称为撞击角砾岩）之间的接触面。当这个接触面形成时，它一定是清晰的——岩石类型之间的突然结合处。但是，经过38亿年的太空暴露，它已经在几百米的范围内被抹平了。在其他地方，尘埃雪崩沉积物与深色风化层之间的接触面在雪崩发生后的1亿年中仅扩散了几十米。通过了解积极改造这些接触面的过程，我可以确定它们的原始位置。同样，地球上的地质学家必须确定陆地侵蚀如何掩盖或覆盖下伏岩石接触面和构造。
在月球表面暴露的巨砾中进行不同岩石类型的野外识别，需要了解连续微陨石轰击的影响。当极高速粒子撞击表面时，它们会在撞击点产生局部高温等离子体并熔化岩石。喷射出的等离子体和熔融岩石重新沉积在附近的表面上，在整个巨砾上产生一层薄薄的、棕色的、玻璃状的铜绿——其中含有极小的铁颗粒。正如地球上的地质学家必须透过地球干燥地区暴露岩石上的沙漠漆进行观察一样，我也必须快速扫描和解释这种铜绿下面的东西，直到我可以用锤子敲击或打破巨砾。
打断月球铜绿的小撞击坑包含不同颜色的玻璃，反映了受撞击矿物化学成分的变化。当坑洞形成在白色矿物（例如斜长石，火山岩的主要成分）上时，结果是浅灰色玻璃和一个独特的白点，这是由矿物颗粒中非常细小的蜘蛛网裂缝引起的。当富含铁或镁的矿物受到撞击时，结果是绿色玻璃。了解这个过程使我能够仅通过观察来确定岩石的成分。
探险家们将在火星上发现什么？
在火星上，科学家们期望的影响因素结合了影响地球和月球的影响因素，因为红色星球的大小介于两者之间。事实上，我们不断增长的关于火星的地质知识已经证实了这种过程的融合。自从轨道照相机和海盗号探测器提供的第一批照片以来，我们就知道火星上的地质特征是内部和外部影响共同作用的结果。
与月球不同，火星有一个稀薄的大气层，地面压力约为地球海平面压力的1%。这种大气层的存在改变了地质覆印，探险家们必须评估并透过它来识别、分析和理解下伏岩石单元。大气层过滤掉了小型流星和彗星——那些能够形成小于约30米直径的陨石坑的流星和彗星。因此，地表不像月球那样被撞击产生的喷射物覆盖。相反，主要的迁移物质是风吹起的尘埃。尘埃来自各种来源，例如被风侵蚀的岩石、滑坡、撞击和化学反应。它形成了柔软的沙丘，探险家们可能需要避开这些沙丘，就像地球平原和山口中深厚的、风形成的雪堆一样。事实上，“勇气号”和“机遇号”探测器有时会被困住。
尽管大气层具有过滤作用，但与撞击相关的地质仍然主导着大多数暴露的火星地层的地表和近地表结构。第一批地质学家必须破译喷射物、裂缝和岩石的冲击变质作用。然而，并非所有岩石都与撞击有关。在许多裂谷以及其他区域，类似于沉积岩或火山岩层的层状岩石占主导地位。撞击产生的风化层不是连续的，许多下伏火星基岩地层的露头可以进行正常的的地质检查和采样。
月球是干燥的，而液态水在火星上塑造了地貌并创造了新的矿物。对月球样本的实验室检查未在其中发现含水矿物，但对火星矿物的轨道传感器和机器人分析检测到各种含水
粘土以及可能从水中沉淀出来的硫酸盐。此外，与岩石中含有非氧化铁金属的月球不同，火星拥有广泛的氧化铁（赤铁矿，Fe2O3）矿藏，这是液态水处理的另一个迹象[参见吉姆·贝尔撰写的“红色星球的含水历史”，《大众科学》，2006年12月，以及菲利普·R·克里斯滕森撰写的“火星的千姿百态”，《大众科学》，2005年7月]。火星地质学家必须准备好解释比我们在月球上遇到的矿物种类多得多的矿物。水也输送物质。它雕刻了峡谷，一些撞击似乎融化了地下冰，从而产生了泥石流。
总而言之，火星风化层通常由撞击喷射物和来自泥石流或洪水的碎屑组成，并与风吹起的尘埃分层。正如凤凰号着陆器最近证实的那样，在极地地区，它还含有水和二氧化碳冰和霜。月球风化层远没有那么复杂。
由于与月球的这些差异，火星野外地质学家将面临新的挑战。探险家仍然需要X射线视觉；然而，它将更像地球上所需的那种，在那里必须考虑到风、重力或水输送物质的影响。在其他方面，勘探可能比在月球上更容易。来自火星的图像显示，虽然细小的、风吹起的尘埃在许多岩石上形成非常薄的、类似铜绿的涂层，但风经常清洁表面，因此尘埃涂层不会成为目视岩石和矿物识别的重大障碍。
与月球勘探的一个相似之处可能是视觉变形。在真空或稀薄的大气中，我们的大脑倾向于低估距离。人们在地球沙漠和山区的晴朗空气中也会遇到同样的问题；缺乏熟悉的物体，如房屋、树木、灌木丛、电线杆等，使情况变得更糟。尼尔·阿姆斯特朗在阿波罗11号着陆后首先注意到了这个问题。我学会了通过将我已知的阴影长度与它看起来的长度进行比较，然后将我的距离估计值放大约50%来补偿。
表面尘埃也会对眼睛造成错觉。在月球上，当我们直接背对太阳看时，它会引起强烈的后向散射光。这种所谓的逆光效应——看起来像一个明亮的、漫射的光点——与在雪地里看向自己的阴影或在飞越绿叶茂盛的森林或农田时看向飞机的阴影所看到的现象相同。火星宇航员也会看到它。后向散射为阴影提供了一些光线，而朝向太阳方向看到的阴影仅被从其他表面特征散射的少量光线照亮。我们必须相对于太阳线调整相机的光圈，才能为我们拍摄的每张照片进行调整。未来的勘探相机和视频系统应该能够自动适应照明条件。
进入的难度
我在月球上时个人感觉非常自在。我将这种舒适感归因于高度的动力和高度的训练，以及对地球上支持团队的巨大信心。但是月球只有三天半的路程。使用传统的化学火箭，火星至少需要八到九个月的路程。即使使用聚变或电力推进，通过持续加速和减速飞船来加速旅程，也需要数月时间[参见乔治·穆瑟和马克·阿尔珀特撰写的“如何前往火星”，《大众科学》，2000年3月]。由于其孤立性，火星宇航员必须比月球宇航员更加自力更生。
也就是说，我怀疑心理问题不会成为太大的问题。返回家园至少需要几个月的时间，而不是几天的时间，这可能会对某些人产生不利影响，但地球探险家已经克服了这种甚至更糟糕的挑战。从历史上看，冒险家们遭受的与家园分离的时间与早期火星宇航员相当——而且没有任何远程通信手段。火星宇航员的动力、训练、团队信心和生存本能将与阿波罗计划的宇航员非常相似。每个人都会非常忙于航天器操作和维护、科学任务、体育锻炼、未来任务的模拟训练、勘探计划的更新以及许多其他职责。事实上，如果迄今为止的航天飞行历史有任何迹象表明，那么找到个人放松时间可能是宇航员面临的主要心理挑战。地面上的规划者需要牢记这一点。
正如在月球上一样，火星勘探效率的主要制约因素将是需要穿戴加压宇航服。我们在金牛座-利特罗峡谷勘探期间使用的阿波罗7LB宇航服使我们能够在非常恶劣的环境中完成大量的野外工作。宇航服的压力为每平方英寸3.7磅，约为地球海平面大气压的四分之一。如果需要，我可以穿着它以大约每小时6英里的稳定速度跑几英里，使用越野滑雪步态。凭借我们拥有的工具和作为一个团队的工作，我们可以以合理的速度采集样本、拍照记录并将其装袋。在大约18小时的勘探中，我们收集了250磅的岩石和风化层。我本希望腿部、腰部和手臂的活动性更好，但我们拥有的A7LB宇航服奏效了。
几乎没有奏效，或者至少造成了严重的疲劳和手部创伤的是宇航服手套。当我们重返月球并前往火星时，必须对手套技术做些改进。手指的灵活性受到限制，我的前臂在约30分钟后变得疲劳。这就像持续挤压网球。经过八小时的休息后，我没有感到任何肌肉酸痛——这是六分之一重力下更有效的心血管循环的一个优势。但是在经历了三次八到九小时的加压远足后，我不确定在手套造成的手部擦伤和指甲损伤的情况下，还能进行多少次远足。
宇航服技术可能会发展到使宇航服手套或其等效物接近人手的灵巧性，并且使宇航服本身变得像越野滑雪服装一样灵活[参见格伦·佐佩特撰写的“单人宇宙飞船”，《大众科学》，2000年6月]。可以想象，机器人野外助手可以帮助进行预先规划的路线。此外，根据宇航员建造国际空间站的经验，我们现在了解了可以为手臂肌肉的持续手部用力提供卓越状态的体育训练技术。其他新的程序和设备可以进一步提高勘探效率。
组建宇航员团队
早期阿波罗计划规划和开发的政治紧迫性和试飞性质使得几乎没有选择经验丰富的野外地质学家作为月球任务宇航员的正式成员。美国国家航空航天局（NASA）主要选择了经过飞行员训练的测试飞行员和军事飞行员，只有一名经过飞行员训练的野外地质学家（我）。所有宇航员都需要在使用飞行所需的机器和方法方面经验丰富、能力出众且充满信心。没有野外地质学家“乘客”的余地。
从星座计划在十年左右后重返月球开始，这种情况应该会改变。专业的野外探险家应该成为每次送往月球的宇航员团队的成员，为火星勘探树立先例。与最后几次阿波罗任务一样，所有宇航员和他们的操作支持团队都应该尽可能多地接受关于真实地质问题的陆地实地训练。早期勘探的最佳宇航员团队规模似乎是四人：两名经过交叉训练的专业飞行员，担任野外探险家和系统工程师，就像阿波罗月球宇航员团队所做的那样；一名经过交叉训练的专业野外地质学家，担任飞行员、系统工程师和野外生物学家；以及一名经过交叉训练的专业野外生物学家，担任医生和野外地质学家。
通过这种交叉训练，任务的成功不取决于任何个人，而是取决于团队合作。除了充分准备好为一个整合的团队贡献专门技能外，火星宇航员团队的每位成员都必须完全且毫不犹豫地适应等级指挥结构。从历史上看，小型、孤立的探险队在经验丰富的领导者的明确领导下工作时，取得了最大的成功。
在许多方面，火星勘探将不同于月球勘探。首先，由于行程将以月而不是天来衡量，宇航员团队需要在整个旅程中继续练习着陆和其他飞行程序。对于阿波罗任务，我们在地面模拟器中排练着陆，我们的最后一次演练是在发射前几天，当时离我们开始动力下降到月球不到一周的时间。对于火星之旅，发射和着陆之间的间隔将约为九个月——显然太长了，没有定期的机载训练活动。
其次，由于通信的长时间延迟（单向长达22分钟），地球上的地面控制将无法执行传统的任务控制功能。地球将改为处理不需要与宇航员进行实时交互的活动，例如数据分析和综合、每周计划、系统和消耗品监控和分析、维护计划以及情景开发。实际的实时任务控制功能将需要由宇航员自己执行。例如，任务可能由两个宇航员团队组成，其中一个团队着陆，而另一个团队留在轨道上充当轨道任务控制中心。当第一个团队返回轨道时，第二个团队下降并探索不同的地点。
这种程度的自主性并非史无前例。即使在阿波罗计划期间，尽管我们在发射前使用可用的照片规划了月球勘探活动，但美国国家航空航天局（NASA）还是给宇航员团队留下了很大的自由度来追求意想不到的机会目标。例如，在阿波罗17号第二次勘探期的后期，我在肖蒂陨石坑边缘发现了橙色火山玻璃，当时在该地点只剩下30分钟的工作时间。在没有等待任务控制中心的建议的情况下，吉恩和我开始描述、拍照和采集沉积物样本。我们没有时间与控制人员讨论这个计划，但我们立即知道需要做什么。火星上的宇航员团队将始终需要完全采用这种方法，地球上的任务控制中心将在几十分钟后才了解所有情况。
与阿波罗计划的第三个不同之处在于，鉴于每次火星探测任务的费用和历史重要性，任务理念必须完全以成功为导向。如果出现问题，宇航员应该仍然能够继续他们的任务并实现其所有主要目标。例如，飞船最好携带两个着陆器，以防其中一个无法使用。此外，如果在进入、下降和着陆序列期间发生系统或软件异常，宇航员应该能够中止着陆而不是中止进入轨道，就像阿波罗计划期间的计划那样。一旦宇航员安全着陆火星，这些问题就可以在与地球协商后及时解决。
现在的年轻人将有幸和冒险去探索火星，如果他们的父母和祖父母为他们提供机会的话。这绝非易事。与任何有价值的事情一样，都存在风险。不仅来自新知识的回报是巨大的，而且停止我们探索的代价也将是巨大的。将火星探索推迟到已经计划的日期之后，将使美国人步其他探险家和国家的后尘。此外，如果不逐步努力学习如何探索并最终在其他世界定居，人类的生存将仍然容易受到太阳系小行星和彗星旅行者的撞击。好奇心、历史的教训和我们的自保本能都要求我们继续向外迈进。
注：本文最初印刷时标题为“从月球到火星”。