星辰大海，捷报频传。年是不折不扣的中国航天大年，“天问一号”火星探测任务与“神舟十二号”首次载人飞行任务的成功刷新了多个中国航天的“第一次，成为了近期的热门话题。图片来源：央视新闻来自国家航天局的消息：截至8月6日，“祝融号”火星车在火星表面工作82个火星日，累计行驶里程达到米。目前，“祝融号”火星车正在穿越石块、撞击坑、沙丘分布密集的复杂地形地带，后避障相机拍摄了一张车体刚刚越过石块的照片。环绕器在轨运行天，器地单向通信时延约21分23秒，各系统工况正常。天问一号在着陆前后，多次为我们发来有价值的火星美照，天文爱好者们应该都看过火星先前的照片，可能还听说过诸如“火星上的太阳呈现蓝色”之类的说法。事实上，“星际摄影”（遥感探测）从来不是一项容易的活动，如何还原真实，可不像年轻人自拍那样简单。
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火星照片惹争议，且听专家来释疑
火星在夜空中展现的独一无二的红色容颜给人们留下了最深刻的印象，这是由火星大气中的尘埃所致。年的海盗1号探测器，拍下了人类首张火星表面照片，图中荒凉的红色陆地引起了一些质疑声音，认为NASA修改了照片，以迎合人们对火星的固有印象，照片不一定是火星的本来面目。海盗1号拍摄的首张火星地表彩色照片确实，限于当时的科技水平，海盗号探测器的相机还不能拍摄彩色照片，原始的黑白图片需要后期合成为彩色图片，这个做法非常需要技巧和主观导向性，称为科学中的艺术创作也不为过。毕竟没有人到达过火星，所以也无从知道它的真正色彩。年，勇气号和机遇号拍摄的火星地表呈现鲜艳的红褐色，天空则是橙*色。质疑声又双叒叕出现了，认为这些特意“红化”的照片存在着颜色失真与白平衡偏差。对此，NASA给出的答复是，火星大气中的尘埃使光线向光谱末端的红端发散，同时也给地表涂上一层红色，照片的处理没有问题。著名天文摄影作品，哈勃太空望远镜拍摄的“创生之柱”（年，局部）虽然不能让所有人都满意，但事实上这是一个普遍的做法：基本所有的天文摄影都是校正过颜色的。由于摄影的用途不同，因此校准的要求也不同。科学家通常不需要让照片——特别是原始照片——看起来像人类肉眼所见的样子，而是更希望它们能对科学分析有用。可见光波段在整个电磁波谱中仅占一小部分，它还可以细分为赤橙*绿青蓝紫等等。我们人眼所能识别的光线，只是整个电磁波谱中非常窄的一小段，统称为可见光波段。然而其他各种各样的非可见光波段，也极具科学应用价值。我们可以借此探知太阳的表面温度、月球上某块岩石的矿物成分，甚至是银河系外某个星系远离我们的速度。日珥从太阳表面喷薄而出，极紫外波段所摄（图中地球用于尺寸对比示意）为了让发回地球的图片能覆盖到尽可能宽的光谱范围，使宝贵的数据实现应用最大化，有时也会采用一些低成本的做法，例如用红外光替代红色滤镜、紫外光替代蓝色滤镜等等。而如今中国正昂首迈入了太阳系行星际探测时代，继美国之后实现了火星地面科考。中国不仅是目前唯一同时在两颗地外星球（月球和火星）进行巡视任务的国家，更在人类历史上首次实现了在行星探测项目中一次性完成“绕、落、巡”任务的壮举。年6月，中国国家航天局公布了天问一号环绕器与祝融号巡视车拍摄的一系列火星“大片”。由分离式相机拍摄的祝融号与着陆平台合影，背景天空略呈太妃糖色这次的探测任务由天问一号环绕器和祝融号火星车“双器合璧”，那我们就分别从它们俩的视角，看看从太空俯瞰与地面平视时，火星的真实模样吧！02
双摄搭配成惯例，分工协作更给力
如今手机配备多摄像头现象，究其原因，增加摄像头数量确实是提高照片画质的一大捷径。可以说每个镜头都有自己特定而单一的适用范围，单个镜头难以同时在色彩还原、细节把控、视角宽幅等多个维度同时实现提升。看似简单粗暴的数量堆砌，却能实现分工协作，从而得到满意的成像效果。这个现象背后也揭示了一个问题——分辨率和视场角，是摄影永恒的矛盾，而讲究高精尖的天文成像，更是将这个矛盾凸显到了极致。为了完成任务需要，大部分的火星环绕探测器均搭载了两种类型的相机，常见的方案是多光谱成像+全色成像。以天问一号环绕器为例，它搭载了一台多光谱CCD相机和一台全色面阵CMOS相机。天问一号环绕器搭载的两台相机参数对比多光谱CCD相机也就是高分辨率相机，配置了全色（灰）、彩色（红绿蓝）与近红外五个成像谱段，可以同时推扫出全色图像、RGB彩色图像、近红外图像。天问一号在距火星表面约～千米高度拍摄的0.7米分辨率全色图像，便是应用多光谱相机推扫拍摄的。它的特点是分辨率高（特别是在全色波段下的黑白照片），细节充足。多光谱相机所拍的火星地表（0.7米分辨率），成像区域内的环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见而全色面阵CMOS相机则是中分辨率相机，它既可实现画幅面阵成像，又可实现视频成像。天问一号在距离火星约万千米处拍摄的首幅火星图像，就是全色面阵CMOS相机的杰作。它的特点是画幅宽广，而且体积小巧，功耗低。可以看出二者的成像原理存在明显差异，针对不同需求的任务目标，例如对火星表面重点区域精细观测、对着陆区域高分辨率观测、长期覆盖观测、对火星天气现象动态观测等，在成像相机的应用选择上也不尽相同。03
赤红天地似铁锈，地表成像更讲究
至于火星地表巡视车，也流行采用多摄分工模式，一部火星车上往往集成了多个相机。勇气号、机遇号、好奇号、祝融号火星车均采用了在桅杆顶端配置导航与地形全景相机的设计方案。祝融号（上图）与好奇号（下图）各自的全景相机所拍的火星地表为了尽可能模拟人类在火星上所见的真实效果，火星车地形全景相机的许多设计均向人眼靠拢，包括光谱成像范围、焦距范围，甚至连距离地面的高度都向人类身高看齐。外表呆萌的祝融号，那一对眼睛是导航与地形相机，功能与人眼类似而多光谱相机看起来像是鼻子除此之外，祝融号还搭载了功能强大的多光谱相机。它的9个成像谱段主要用于探测几种固定的目标，例如铁氧化物、含铁硅酸盐等与火星水环境和地质演化紧密相关的矿物。多光谱相机的外形，以及各种目标矿物的谱段响应而火星上的环境又与太空存在极大的差异，摄影成像有着另一番讲究。火星地表的颜色不仅来自自身的铁氧化物，也来自笼罩四野的大气层所映衬的背景色。我们所见的焦糖色的天空和土锈色的岩石，主要是由火星特殊的大气散射效应所决定的。反射、入射、折射、散射的区别。右下角即为散射示意图火星大气极为稀薄，气体成分微不足道，而尘埃颗粒较多，这些尘埃尺寸达到了微米量级，尘埃在大气层的光线散射中占据主导地位，这种效应称为米氏散射，散射的光子波长接近自身颗粒大小，对应于电磁波谱中的红光，火星天空的红色正是来源于此。好奇号拍摄的火星日落至于有趣的火星日落，你会发现日落时太阳中央主体是白色的，因为光线在穿过火星大气层时不会改变颜色；太阳周围蒙上一层蓝色的光圈，因为蓝光的散射角度不大；再往外看，天空则微微泛红，因为红光的散射角度较大。小Tips：散射是一种较为复杂的光线效应，在分层明显的行星大气垂直结构上，不同的散射成分在各自的波长范围内，散射规律也不尽相同。如果你有机会前往别的行星看日落，会发现天王星的天空从蓝色逐渐变为蓝绿色。而在土卫六上，日落的天空则会从*色变为橙色，直至变为棕色。另外需要指出的是，颜色只是人的主观感受，不是物体的客观属性。物体的不同颜色对应着不同的电磁波频率，而任何两个频率相加是无法合成另一个频率的。所以说红光和绿光混合，得到包含两种频率的“*光”只是人眼的感觉，和单一频率的*光本质不同，只是人眼无法区分。综上所述，火星地表成像远非地球表面那么简单。在火星上工作的祝融号火星巡视车，只需忠实地记录光影，而地面上的科学家们如何去还原这些数据，既满足科研需要又满足公众科普需求，就得多花一番心思了。只有当你亲自踏上火星的土地，才能一探真知。凡所过往，皆为序章。虽然前期进展顺利，但我国的行星际探索大业才刚刚拉开大幕，还有许许多多的未知领域等待我们征服：诸如火星磁场之谜、火星液态水之谜等多个有趣的现象。它们就像火星的颜色问题一样。参考资料：[1]火星探测多光谱相机定标技术研究王红中国科学院西安光学精密机械研究所[2]中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置李春来，等深空探测学报[3]火星环境中沙尘粒子的光散射特性研究秦建华西安理工大学[4]火星形貌摄影测量技术研究耿迅解放*信息工程大学[5]非球形火星沙尘粒子的光谱散射特性研究杨玉峰光子学报本文配图均来自网络公开资料END
审核专家：鲁暘筱懿，行星物理学博士。
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责编/小西途说
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