火星導引指南!《絕地救援》幕後的科學與事實

2015-10-09 12:00

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歡迎來到距離地球7千8百萬公里(平均距離)的火星!但如果是只有你一個人,在這個星球上,你/妳能夠活下去嗎?

改編自同名網路小說(中文小說名稱為《火星任務》)的《絕地救援》(The Martian),描述因一場意外而受困在火星的太空人—馬克瓦特尼,利用有限的資源想盡辦法求生,並嘗試回到地球的故事。這部由知名大導—雷利史考特執導,麥特戴蒙、潔西卡崔斯坦、麥可潘納、傑夫丹尼、西恩賓、奇維托艾吉佛等人參與演出的電影作品,故事劇情紮實穩當,除了描述主角如何在火星上求生,同時也描寫了在地球上的人們和主角的夥伴們如何絞盡腦汁展開救援行動,融合了《浩劫重生》的荒野求生、《馬蓋先》的機智以及《阿波羅13》太空救援行動等元素的精采故事,是近年來以太空為主題的電影中,內容豐富多元的一部作品。回顧電影內容,在故事中提到了相當多火星地理及相關科普知識,我想這絕對是過去地理課沒有教過,地科課也沒有詳細交代過的,就讓本篇內容一一為您整理吧! 

《絕地救援》預告片

火星是太陽系中距離太陽第四近的行星,屬於類地行星(Terrestrial planet)(註1),由羅馬神話中的戰神馬爾斯(Mars)命名。在中國史書上,則以「熒惑」稱之。火星的表面以氧化鐵的紅色土壤為主,因此外觀呈現為橘紅色。與地球相比,火星的平均半徑約為3,389.5 公里,大約為地球的一半;在質量、體積上,則是地球的11%及15%。表面重力大約為3.693 m/s2,若以地球的重力1g來算,大約是0.377 g。綜合上述,火星就像是比地球小了一號,比月球大了一號的紅色星球。就大氣而言,火星的大氣以95.32%的二氧化碳為主,其餘則為氮、氬、氧、一氧化碳、水蒸氣、氖、一氧化氮等,因此常被稱作為溫室效應嚴重的環境,但其大氣濃度不足,空氣非常稀薄,反而無法保留住多餘的熱量,造成日夜溫差極大。

火星的外觀與自轉模擬

由於火星與地球同樣擁有傾斜的地軸,因此具有四季變化。而火星在南北極的白色極冠是非常明顯的特徵,過去被認為是由乾冰(二氧化碳的固體)所組成,但在近年的研究認為乾冰僅為表面成分,實際上在表面的乾冰下,可能蘊含著大量的水冰。而表面有許多流水沖刷的遺跡,如同地球上冰河或河流刻蝕的痕跡,令科學家對於這顆紅色星球上是否有生命,抱持著樂觀的態度。在最近的研究報告也指出,火星上確實存在著液態水,大大提升了人類未來移民火星的可能性。有趣的是,這項研究報告正好於今年(2015)的9月28日宣布,恰巧與《絕地救援》上映時間相差一個禮拜,麥特戴蒙甚至還露了一段影片自嘲:下次若再受困火星,至少不用煩惱水的問題了。

麥特戴蒙在Youtube上恭喜NASA找到火星上有水的證據

美國太空總署(NASA)於1996年發射升空的火星全球探勘者(Mars Global Surveyor, 簡稱MGS),搭載了火星軌道攝影機、雷射測高儀、熱輻射光譜儀及磁力儀等電子精密儀器,在火星軌道上運行紀錄了全星球的測繪影像,讓人們第一次看到了火星表面的全貌。自1999年開始,MGS展開了大大小小的測繪任務,並拍攝了許多火星多處表面的重要地貌,甚至連地表上的沙塵暴龍捲風(電影中也有在背景製作了沙塵暴龍捲景象)也有清楚記錄,直到2006年NASA宣布MGS的任務結束,到2007年MGS才與NASA失聯。承接著MGS的任務,後續NASA於2001年發射的2001火星奧德賽號(2001 Mars Odyssey)、歐洲太空總署(ESA)於2003年發射的火星特快車(Mars Express)、NASA於2005年發射的火星偵察軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter,簡稱MRO)等,都是在火星軌道上運作著並勘查火星地貌的重要人造衛星。

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各時期的火星軌道探測衛星:(左上)火星全球探勘者、(右上)2001火星奧德賽(以電影《2001太空漫遊》命名)、(左下)火星特快車、(右下)火星偵察軌道器(圖片來源:NASA / wikipedia)
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火星地表地貌全圖:圖中標號(圖片來源:時代雜誌)

(1)為鳳凰號登陸點
(2)為維京1號(或譯海盜1號)登陸點
(3)為拓荒者號登陸點
(4)為機會號登陸點
(5)為維京2號(或譯海盜2號)登陸點
(6)為精神號登陸點
(7)為火星三號登陸點
(A)為阿西達里亞平原(為《絕地救援》中戰神三號基地位置)
(B)為斯基亞帕雷利撞擊坑(為《絕地救援》中戰神四號接駁小艇位置)

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由火星全球探勘者於1999年所拍攝的火星可見光影像地圖,以圓柱投影方式(Equirectangular Projection)呈現,途中的標號之相對位置與前圖相同。(圖片來源:NASA / wikipedia)
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上圖標號的各火星探測器外觀示意圖(圖片來源:NASA / wikipedia)

(左上)鳳凰號
(中上)維京1號及2號(或譯作海盜1號及2號)
(右上)拓荒者號,紅圈內為逗留者號探測車,也就是《絕地救援》中被麥特戴蒙放在基地裡繞行的小型六輪車
(左下)機會號
(中下)精神號,為機會號的姊妹探測器
(右下)火星三號,為蘇聯製的火星探測器,是人類探測火星史上第一個登陸火星的人造物,只可惜登陸後僅運作了20秒,便失去了訊號

火星的地表觀測最早可回朔到1877年的義大利天文學家—喬范尼夏帕雷利(Giovanni Virginio Schiaparelli)以望遠鏡觀測後出版的手繪火星地圖。電影裡戰神4號接駁小艇位置—斯基亞帕雷利撞擊坑,便是以這位天文學家的姓氏命名。在夏帕雷利的觀測中因受限於望遠鏡技術,在地圖上標示了火星表面顏色較暗的區域,與月球的暗區相同命名為「海」(Mare),其他線條則被命名為「運河」(Canali),並以地球上著名的河川命名這些長條狀的線條,使得人們誤認為火星上有生命或是液態流水。直到NASA在1960年代以水手4號首次接近火星的驚鴻一瞥,才粉碎了人們對火星運河的遐想。不論如何,隨著衛星科技的發展,如今火星的地理地貌已有相當詳盡的資料,現代的火星地理名稱則是由國際天文學聯合會(International Astronomical Union,簡稱IAU)負責,以過去天文學家觀測命名為基礎,後續以重要的科學家、科幻小說作家或地球上的地名為名,另外也有以紀念性名稱命名:例如紀念哥倫比亞號太空梭意外,以七名犧牲的太空人命名了哥倫比亞山丘群等。較有趣的是,NASA在探測火星的過程中,會利用一些綽號命名較為小型的岩石,像是鯊魚石、防熱護盾岩、積木島等,作為暫時標定使用(非正式名稱)。 

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Google Earth中的火星圖像,以及電影場景中的幾個重要地點。(圖片來源:Google Earth彙整)

若我們將Google地球這個軟體打開,便可以將地球圖像轉換為火星進行瀏覽,非常方便。這個Google影像,係由NASA、USGS(美國地質調查局)、ESA(歐洲太空總署)、DLR(德國航空太空中心)、柏林自由大學等機構聯合製作。上圖中,我們可以看到故事的開頭,戰神3號的基地位置便是在火星北半球的阿西達里亞平原(Acidalia Planitia)的南緣,靠近克里斯平原(Chryse Planitia)北邊的位置,也就是主角遭遇暴風與隊友們失散的地方。另外,在電影中提及的幾個重要地點,如拓荒者號(Pathfinder)的登陸地點,則是位於火星赤道附近的阿瑞斯谷(Ares Vallis)(或稱戰神谷)的北緣;以及最後主角前往戰神4號的預計登陸地點—斯基亞帕雷利撞擊坑(Schiaparelli Crater)。

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前圖標示地點,於地球上的相對位置(經比例調整)(圖片來源:Google Earth彙整)
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電影中,主角馬克在火星上行進的路線軌跡(圖片來源:Google Earth彙整)

為了能夠清楚了解這些火星上的相對位置,我們若將這些地點拉到地球上標示,並經過比例調整縮放,可以知道,電影裡的重要火星場景相對位置都十分遙遠。以主角最後駕駛火星探測車從戰神3號前往戰神4號地點為例,這樣距離的一半,就能從西非的西撒哈拉海岸,走到撒哈拉沙漠南端的布吉納法索。另外,主角從戰神3號基地前往拓荒者號位置的阿瑞斯谷北緣,也至少需要駕駛800公里的距離,相當於中山高從基隆出發,到高雄後折返回到基隆,再從基隆折返到桃園機場系統交流道(國道二號交會處)。這樣的距離也僅有一次去程的距離,更何況是來回往返戰神3號及拓荒者登陸處,主角馬克需要連續開車至少兩天的時間,在只有馬鈴薯沒有蠻牛的情況下可說是相當不容易。

電影中為了劇情的緊湊,避免劇情冗長,將主角最後從戰神3號離開前往戰神4號接駁小艇地點的這段旅程淡化,以剪接的方式描述主角連續開車4小時,休息充電13小時的這段旅程交代,但我們若是從地圖上了解,主角馬克在最後的這段4,000公里(電影中馬克利用圓規估算只說了3,200公里)事實上是相當煎熬難受。加上火星沒有高速公路,駕駛火星探測車在崎嶇的地表上,想必是一刻也不敢怠慢。

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(左圖)主角馬克瓦特尼的行進路徑軌跡(圖片來源:wikipedia) (右圖)戰神4號的斯基亞帕雷利撞擊坑放大圖(圖片來源:NASA)

從上圖的馬克瓦特尼行進路徑,以及下方的高度圖,我們也可以知道,馬克從低窪地區A地點(戰神3號)一路爬坡至B地點(戰神4號),高度落差近4,000公尺,相當於從海平面開到玉山主峰的高度。因此我們可以知道,馬克除了要在崎嶇的地表上開長途車,還要開山路般的爬坡。因此他選擇了較為緩坡的馬沃斯谷地(Mawrth Vallis)行駛。有趣的是,馬沃斯谷地便是目前科學家推斷可能有水存在的地點,在這個地區內科學家們曾透過火星特快車衛星的光譜儀分析,富含了鋁鐵的黏土礦物,很有可能就是火山灰沉積在開放水域的重要證據。在電影中,也有一幕主角馬克開在地面冒出水蒸氣的地表,很有可能就是行經馬沃斯谷地的畫面。只能說主角馬克若是早點知道NASA的研究,或許直接下車便可撈到現成的液態水,也不用把自己的頭髮燒了一半。也因為這樣液態水的證據,2011年發射的火星科學實驗室(Mars Science Laboratory)也曾將馬沃斯谷地列為候選登陸地(最後選定登陸地為蓋爾撞擊坑)。而在故事的最後,主角來到斯基亞帕雷利撞擊坑前的一幕,便是實際隕石坑西北方的一處開口,電影的場景忠實呈現了這樣四面環山的場景,令人感動。

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電影中真實取景的地點—約旦的瓦地倫沙漠(圖片來源:Wikipedia)
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電影中劇照(圖片來源:福斯電影公司)

綜合來說,在眾多太空探險主題的電影中,《絕地救援》可說是相當傑出又有科學根據的作品。其原著小說作者安迪威爾(Andy Weir)原本是一位在暴風雪娛樂(Blizzard Entertainment)工作的電腦工程師,這本小說也只是閒暇之餘在網路上分享的連載小說作品。但這樣的無心插柳卻廣受好評並獲得電影製作公司的支持,才被改編為電影劇本被拍成電影。這也許也告訴了我們,天文科學及科普知識其實不難理解,透過網路資料的收集與閱讀,人人都可以有很好的科學思維及想像力發展的空間。

就個人而言,電影這樣的媒介,滿足了人們追求科學幻想的慾望,特別是天文這種可能畢生都看不到研究成果的科學。對於這群追求宇宙真理的人們,每每推算便是幾千光年的距離,或是幾億年後的事情,而電影正好透過這樣的影像空間,提供了一個最容易滿足成就感的出口。就算此生可能到不了火星,透過電影我們也能想像置身在火星的環境裡過過科幻夢想的癮。另外,電影裡眾多科學家努力救援夥伴的身影,也讓人十分感動。我想透過這樣的科幻電影,激發更多人對科學研究的嚮往即投入,便是電影所傳達出最珍貴的核心價值了。

註1:類地行星(Terrestrial planet),意指由矽酸鹽岩石為主要構成的行星,與地球相類似。太陽系中的類地行星共有四顆,自太陽算起依序為水星、金星、地球及火星。類地行星的表面擁有堅硬的外殼,與類木行星(或稱氣體巨星,Gas Giant)僅由氫、氦組成的氣體星球不同。

延伸閱讀及相關資訊:

l   《絕地救援》(The Martian)IMDb電影資訊
l   美國太空總署(NASA)官方網站
l   Layered Rocks Near Mawrth Vallis(NASA)
l   Google Map:阿西達里亞平原
l   維基百科:阿西達里亞平原
l   維基百科:斯基亞帕雷利撞擊坑
l   維基百科:火星探測
l   維基百科:瓦地倫

文/ XXY

本文經授權轉載自《絕地救援》(The Martian)火星導引指南

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