凌晨两点的会议室，喝光的咖啡杯在会议桌上围了一圈，计算机屏幕的光照着十几双充血的眼睛。长时间盯着计算机的眼睛有些干涩，但围桌而坐的人头脑却很兴奋：边研读文献，边讨论怎么有效提取数据，解码火星环境。
“那段时间真是跟打仗一样。”回忆起近四年前的火星科学任务攻关经历，陈凌仿若历历在目。
2021年5月，我国首次火星探测任务天问一号携带的“祝融号”火星车，足迹烙在火星乌托邦平原的红土上，吹响了中国人用自己的深空探测装置研究火星的“集结令”。陈凌等来自中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）、中国科学院国家天文台（以下简称国台）的科学家们也投身其中。
他们从“地球科学极客”化身“星际解密人”，纷纷拿出看家本领，通过“多兵种联合作战”，用中国自主数据刷新了对火星环境演变的认知，以系列突破性成果斩获2024年度中国科学院杰出科技成就奖。
火星北半球。图片来自：国家航天局/国家天文台供图
用“绝活”刷新认知
火星与地球是太阳系宜居带“唯二”的行星，从高山峡谷到四季变化，在太阳系行星内与地球共性最多。这颗红色星球上是否存在生命？这个谜题令人心驰神往。要解开它，火星水活动、磁场变化等信息是重要线索。
然而，一直以来，科学界对火星水活动和磁场的认知却存在矛盾。
科学界普遍认为：火星在距今约36亿年前存在大量水活动，此后迅速衰减，并在约30亿年前几乎消失；而火星内部磁场约在40亿年前消失，后在39亿年前被重新磁化，并在约37亿年前再次消失。
“从过去的认识来看，磁场会保护水，磁场消失之后水也会逃逸。火星磁场反而比水要消失得更早，这不合理。”陈凌说。
矛盾背后的原因是什么？陈凌和合作者组成多学科融合的“星际战队”，采用雷达探测、地貌分析和磁场测量等多维手段，构建了“地下-地表-空间”三位一体的协同体系，研究火星多时间尺度环境演变。
面临我国首次火星探测任务中的重重难题，他们纷纷拿出“绝活”，各展神通，拿下火星研究的三个“国际首次”。
担任火星地下结构探测组组长的陈凌是一名“行星CT学家”，曾创新地震成像方法解析地球大陆内部、边缘造山带等区域的深部精细结构。她的“搭档”地质地球所研究员张金海是一名探地雷达“密码破译师”，长期处理和分析嫦娥探月工程相关数据。他们联手突破了行星雷达弱信号提取、高精度成像和建模仿真等系列难题，让雷达信号不再因为火星表面碎石块干扰成为“近视眼”，“首次”揭示了火星浅表80米内的分层结构。这些创新方法证实：火星在35亿-32亿年前曾发生大型洪水活动，16亿年前仍有小型洪水事件，将火星水活动时间延长了近14亿年。
张金海凭借着对雷达信号的敏锐“洞察力”，进一步察觉到在30-80米深度还存在结构的横向变化。他与陈凌等分析证实，这种结构横向变化反映了埋藏在地下的古多边形地貌特征，是32亿-16亿年期间火星发生长时间气候干湿、冷暖变化的见证。
在火星地貌研究方面，地质地球所研究员秦小光和国台研究员刘建军组成黄金搭档。秦小光是一名古环境“侦探”，曾分析过数万个地球沉积物样品，擅长通过微观特征还原古环境变迁。刘建军是一名“行星数据守门人”，从嫦娥一号至今，带队建立了载荷地面验证、行星环境模拟、载荷在轨定标等一系列保证数据真实性和有效性的方法。他们的合作“首创”了用火星沙丘了解水活动的新方向。
秦小光仍记得那个激动人心的时刻：2021年，在国家天文台运控大厅与刘建军等一起查看“祝融号”传回的照片时，一张多光谱照片让他的大脑突然“轰”了一下，他赶紧喊道“停一下”！
凭借在罗布泊沙漠工作20多年的经验，秦小光敏锐地注意到沙丘上一些特征——多边形龟裂、带状痕迹和胶结的团粒，极可能是水留下的“指纹”。后续研究证实，火星在距今140万-40万年间仍存在由大气降霜降雪形成的周期性水活动，这是人类首次发现火星现代水循环的直接证据。
在另一项突破性“姊妹”研究中，刘建军和秦小光还通过分析2000多个沙丘的遥感图像，发现火星在距今约40万年前曾发生“冰期-间冰期”全球性气候转变，为火星气候模拟提供了重要约束。
火星磁场探测则面临更严峻的挑战——火星车行驶时的干扰信号比有效磁场信号强一万倍，犹如“在摇滚演唱会现场聆听针尖落地”。地质地球所研究员杜爱民是火星磁场“捕手”，作为研制"祝融号"磁场探测仪的负责人，创新性地采用双探头设计和旋转测量的独特信号分离技术，成功捕获到火星弱磁场信号——约10纳特斯拉，仅为此前卫星磁测模型预测值的1/10，相当于地磁场的五千分之一。
研究表明，火星早期磁场发电机在36亿年前骤降，并持续维持着弱磁场状态，就此提供了火星由强变弱长期水活动过程的磁场约束机制。
这些系统性突破不仅刷新了人类对火星环境演化的认知，更在行星科学领域镌刻下鲜明的“中国印记”。
"祝融号”火星车。图片来自：国家航天局/国家天文台供图
“刀尖舔血”的日子
“陈凌他们啊，那真是拼了命在干！”获奖消息传来时，地质地球所的同事们无不感慨。这番评价并非溢美之词。
2021年8月10日，地质地球所召开首次火星探测任务科学研究动员会。会后，该所当天成立了7个任务组——涵盖火星地质、物质成分、地下结构、磁场、空间环境、宜居要素、地质工程等多个研究方向。
“动员会就像‘发令枪’。”陈凌回忆道，“所里一声令下，我们所有人都放下手头工作，集中精力专攻这一件事。这是中国科学院的特色优势。”
攻关时刻，他们不仅拿出看家本领，还拿出了性命在拼。
火星雷达信号分析堪称“在刀尖上跳舞”。“我们不仅要与时间赛跑，更要确保每一个数据处理的环节都万无一失。”张金海坦言，“这项研究承载着国家荣誉，容不得半点差错。”
为了攻克技术难关，研究团队常常通宵达旦。在最开始的信号破译阶段，张金海与博士生李超独创"人肉接力"工作法：两人轮班倒，确保24小时不间断攻关。经过72小时连续奋战，尝试各种可能以后，终于找到突破口。为了完善信号处理流程，陈凌又带队团队连续攻关46天，高强度的工作让他们的生物钟都失调了——有时兴奋到极点，睡不着觉；有时刚睡两三个小时，就起来接着干。通过无数次头脑风暴，他们最终确立了13个关键步骤的标准处理流程，成功破解了火星雷达的“密码语言”。
长期超负荷工作让他们中一些人的身体亮起红灯。2022年春节刚过，秦小光在论文投稿后没几天，突感呼吸困难，就医后被直接送进ICU——肺动脉血栓一旦发作，抢救时间不超过5分钟。此后，团队副研究员王旭突发脑血栓导致半身不遂，吴海斌也因心脏问题接受了支架手术。
“没什么后悔的。”回忆起那段刀尖舔血的日子，秦小光语气平静地说。秦小光今年63岁了，干了40多年的研究，最近做完手头的项目，即将把办公室还给所里。“也要给年轻人让位子。”他说，“以后可以在家里干，给学生打打下手，发挥余热。”
这样的拼搏不止是攻关科学任务那段时间，甚至在天问一号任务发射前早已开始。作为首次火星探测任务地面应用系统总设计师，刘建军为了保证数据的可靠性，带领团队冒着严寒或热浪，把载荷设备带到冰川、火山、沙漠等各种极端环境中检测。
“火星探测中还有许多无名英雄。”研究团队说，“这次获奖是对我们过去努力的认可与鼓励，更是对未来的鞭策。”
火星多时间尺度环境演变团队。图片来自：国家航天局/国家天文台供图
科学与工程的“双向奔赴”
首次火星探测任务取得一系列突破性成果，离不开科学与工程的"双向奔赴"。“从载荷设计到载荷运行，从就位探测到数据分析、科学问题的解译，这一系列研究实现了工程技术与科学研究的紧密衔接。这不仅对行星研究至关重要，也为地球上其他领域的研究提供了协作攻关的新模式。”陈凌说。
这种协同合作模式的成功，离不开地质地球所与国家天文台的精心策划。刘建军回忆，任务攻关期间，首次火星探测任务首席科学家潘永信院士、总工程师张荣桥、副总设计师研究员李春来、中国科学院院士郭正堂等科学家多次在国台运控大厅展开深入交流，搭建起科学与技术沟通的桥梁。
"在探索未知领域时，科研人员都怀有极大热情。但只有通过强有力的组织，才能将这些热情转化为实实在在的成果。"秦小光说。
刘建军（左二）、李春来（右二）等在接受《中国科学报》采访。冯丽妃摄
“双向奔赴”的精神还体现在具体实践中。刘建军告诉记者，"祝融号"火星车最初的探测计划中，并未包含对火星沙丘水活动的研究。经过科学团队与工程人员数十次的讨论，最终确定了物质成分探测仪1.5米的最佳工作距离，既确保了数据准确性，又避免了火星车陷入沙丘的风险。
“我国深空探测事业正在实现从‘工程抵达’到‘科学引领’的历史性跨越。”刘建军说，“如今，我们的工程技术能力越来越强，已经能够支撑更复杂的科学目标。”
特别是在我国深空探测领域仍然面临国外技术封锁等国际大环境下，多位科学家指出，科学研究和工程技术之间更需要紧密的合作，相互支持，共同攻克难题。
“有人觉得做科研辛苦且竞争激烈，但我觉得，我们这一代人何其有幸，赶上了中国科技发展的黄金时代，这是千载难逢的历史机遇。”张金海动情地说。
从2008年开始谋划火星探测到2020年天问一号成功发射，中国仅用一项任务就达成了欧美数十年才完成的“绕、着、巡”目标。展望未来，中国深空探测宏伟蓝图已在眼前：天问二号探测器将执行小行星采样返回任务，天问三号将实现火星采样返回，嫦娥七号和嫦娥八号将开展科学探测和资源开发利用验证试验，推动国际月球科研站的建设……这一系列壮举将带领中国深空探测科技迈向新高度。
“正如习近平总书记所说，‘伟大事业，始于梦想、基于创新、成于实干’。”刘建军呼吁青年科学家接过接力棒，敢挑战难题，甘坐“冷板凳”，厚积薄发。
“中国深空探测的前景光明，我们还有很多事情要做，要向着更远的星辰大海不断迈进。”陈凌充满期待地说道。