火星-百科詞條

　　太陽系九大行星之一，按離太陽由近及遠的次序為第四顆，在天文學中，常以符號♂表示。肉眼看去，火星是一顆引人註目的火紅色星。它同地球的距離不斷變化，因此它的亮度也不斷變化：最暗時的視星等約為+1.5等；最亮時則達到-2.9等，比最亮的恒星天狼還亮得多。它在眾恒星間的視位置也不斷變化，時而順行，時而逆行。由於它熒熒如火，亮度常有變化，位置又不固定，令人迷惑，所以中國古代又叫它“熒惑”；在古代羅馬，因為它帶有血紅色，所以用戰神瑪爾斯(Mars)命名。火星比地球小，，赤道半徑為3，395公裡，為地球的53％，體積為地球的15％，質量為地球的10.8％，表面重力加速度為地球的38％。火星有兩個衛星，即火衛一和火衛二（見火星衛星）。

圖1　地面望遠鏡拍攝的火星照片

　　兩、三個世紀以來，人們用望遠鏡對火星進行觀測，獲得許多有價值的資料。1964～1977年，美國對火星發射瞭“水手號”和“海盜號”兩個系列共八個探測器。其中特別值得提出的是:1964年11月發射的“水手”4號經過火星附近時，拍攝瞭火星的照片，從而發現火星表面有不少象月球上那樣的環形山；1971年11月“水手”9號對火星全部表面進行瞭高分辨率的照相，發現瞭火星上有巨大的火山、峽谷系和寬闊的河床；1976年7月和9月“海盜”1號、2號先後在火星表面軟著陸，進行瞭多方面的探測活動，特別是進行瞭生物探測實驗，結果表明，火星上大概不存在生命（見火星上的生命）。此外，蘇聯也於1962～1973年間多次發射“火星號”系列探測器研究火星及其周圍空間，“火星”3號的登陸艙也實現瞭軟著陸。所有這些探測大大豐富瞭人們對火星的認識。

圖2　行星探測器拍攝的火星拼合照片

　　公轉和自轉　火星在一個橢圓軌道上繞日公轉，軌道面與黃道面的交角為1°9，軌道半長徑約為1.524天文單位，軌道偏心率為0.093。由於偏心率較大，火星的近日距和遠日距相差4，200萬公裡。這就造成瞭火星沖日(見行星視運動)時同地球的距離有較大變化，圖3說明1971～1999年火星“沖日”情況。圖中外圈是火星軌道，內圈是地球軌道（並標出地球經過軌道不同部位時的月份）。從圖中不難看出，火星與地球的距離同發生沖日的月份有關。最小距離是在8月底，在這前後發生的沖叫作近日點沖或大沖，此時火星同地球的距離隻有5，600萬公裡左右。火星在軌道上運行一圈約687天，地球平均要經過780天（最少764天，最多806天左右）才與火星相沖一次。這樣，相沖的點約16年在軌道上轉一圈。這就是說，火星大沖大約每15年或17年發生一次。下次大沖將在1986年7月10日發生。

　　火星自轉的情況和地球十分相似，自轉周期為24小時37分22.6秒，也就是說，火星上的一晝夜比地球上的一晝夜稍長。它的赤道面與軌道面的交角為23°59′，也比地球的黃赤交角稍大。火星上也有四季變化，但每季約為地球上兩季那樣長。

　　大氣　和地球相似，火星上也存在大氣。在五十年代，柯伊伯等通過分光觀測，確認火星大氣的主要成分是二氧化碳，還有極少量的一氧化碳和水汽。根據火星探測器“海盜”1號的直接測定，火星表面的大氣壓為7.5毫巴，相當於地球上30～40公裡高度處的大氣壓。火星大氣的主要成分（約95％）是二氧化碳，有約3％的氮，1～2％的氬，合起來約為0.1％的一氧化碳和氧，還有極少量的臭氧和氫，水汽的數量很少，隨季節和位置而變化，平均約為大氣總量的0.01％。如果火星大氣中的水全部凝聚，也隻能形成0.01％毫米厚的水膜覆蓋整個火星表面。

　　和地球上相似，火星大氣中也飄浮著雲，但和地球上不同的是，火星大氣中雲的主要成分是二氧化碳和水。火星極區的冬季，大氣溫度低於二氧化碳的凝固點(150K)，因而形成覆蓋極區的濃霧狀的幹冰雲。經測定，極區的雲中也有冰的成分。中緯度地區的冬季，溫度(190K)也在冰點以下，水汽凝結，形成冰雲。

　　在一些大的盾形火山附近，常常能觀測到延伸幾百公裡的雲。估計這是由於火星大氣中的氣流遇到高聳的環形山地形時被攪亂、上升，在膨脹時變冷所形成的凝固雲。這種雲都出現在大氣中水蒸氣增多的夏季。

　　塵暴是火星大氣中獨有的現象，其形狀就像一種黃色的“雲”。它是由火星低層大氣中卷著塵粒的風構成的。大的塵暴在地面上用較大的望遠鏡就能觀測到。局部的塵暴在火星上經常出現。因為火星大氣密度不到地球的1％，風速必須大於每秒40～50米才能使表面上的塵粒移動，但一經吹動之後，即使風速較小，也能將塵粒帶到高空。典型的塵暴中絕大部分塵粒估計直徑約為10微米。最小的塵粒會被風帶到50公裡高空。大的塵暴多半發生在南半球的春末，當火星靠近近日點的時候。塵暴的發源地處在太陽直射的緯度線上，經常發生在海臘斯盆地以西幾百公裡的諾阿奇斯地區。中心塵雲在最初幾天慢慢擴展，然後很快蔓延開來，幾星期內就完全覆蓋南半球。特別大的塵暴還能擴展到北半球，進而掩蓋整個行星。1971年的塵暴就是這樣，它在9月開始，當“水手”9號在11月到達時，已經籠罩瞭整個火星。塵暴的起因看來與太陽的加熱作用有關。火星過近日點時，太陽的加熱作用大，引起大氣溫度的不穩定，從而產生最初揚起灰塵的擾動。然而，一旦塵粒到瞭空中，吸收瞭更多的太陽能，這種充滿塵粒的空氣就會比周圍大氣更熱，因而急速上升。別處的空氣又撲去填補它原來的位置，造成更強的地面風，形成更大的塵暴。塵暴范圍和強度越來越大。當塵暴最終分佈到整個火星范圍時，火星上溫差減小，風逐漸平息，塵粒就慢慢地從大氣裡沉降下來。沉降過程至少要幾個星期，塵暴激烈時可持續幾個月之久。幾乎每個火星年都要發生一次這種大規模的塵暴。

　　表面　在望遠鏡中，火星呈現為一個明亮而模糊的微紅色圓面。最引人註目的是，覆蓋在兩極地區的白色極冠(見火星極冠)，其大小隨火星季節而變化。在較大的望遠鏡中，還可以觀測到線度至少幾百公裡的明亮或黑暗區域：明亮而呈桔黃色的區域稱為“大陸”，幾乎占火星總面積的六分之五；黑暗區域稱為“海洋”，其顏色常隨季節變化。

　　火星表面的平均溫度比地球低30℃以上。火星稀薄而幹燥的大氣使它表面的晝夜溫差常常超過100℃，遠大於地球上晝夜溫差的幅度。火星的赤道附近，最高溫度可達20℃左右(約在午後一小時)。到瞭夜間，由於火星大氣保暖作用很差，表面溫度很快下降，最低溫度（在黎明前）在－80℃以下。火星兩極地區溫度更低，在漫長的極夜最低溫度能降到-139℃。

　　火星表面大致被一個傾斜於赤道30°的大圓分開。南半部和北半部的表面結構差別很大。就火星的地質史來說，南半部比較古老，表面崎嶇而密佈環形山。這些環形山估計多半是在火星歷史的早期（可能是最初的十億年）形成的；北半部則以大的火山熔巖平原為特征，這些熔巖平原很象月球上的“海”，斷斷續續地點綴著一些死火山。北半部地勢普遍比南半部低，環形山也比南半部少得多。火星表面的高低差別一般在5～10公裡左右。火星的沙漠部分被紅色的矽酸鹽、赤鐵礦等鐵的氧化物以及其他金屬的化合物所覆蓋，因而顯出明亮的橙紅色。

　　火星表面上的地理特征，主要有：

　　環形山和火山　和月面相比，火星上環形山的數量要少得多，環形山邊緣坡度平緩（坡度都小於10°)，不象月面環形山能投射出尖尖的影子，這表明環形山曾受到嚴重的侵蝕。環形山可以分為兩種：火山成因的環形山和隕石撞擊而成的環形山。火星上巨大的盾形火山比地球上的火山大得多。地球上夏威夷的冒納羅亞和莫納克亞兩座火山加在一起直徑約200公裡，高出洋底9公裡，而火星上最大的奧林匹斯火山直徑約為600公裡，高出周圍地面26公裡之多。例如火星的盾形火山在形狀和結構上也酷似夏威夷的盾形火山。在各個盾形的頂端是一個環形山狀的塌陷的破火山口的復合體，這些破火山口一度曾是熔巖的出口。熔巖沿著火山側面流下，形成從中心向四面延伸的呈輻射狀的地形。“水手”9號探測器拍得的照片中有許多直徑100公裡左右的處於不同保存狀態的火山，它們分散在火星表面，大部分在北半球。至於由隕石撞擊形成的環形山，最大的是海臘斯盆地，寬達1，600公裡，深至少4公裡。南半球有些地區環形山密度同月球上明亮的高地環形山區差不多，推測它們形成的年代也差不多，為40～45億年。這些地區仍保留著古老的地表。北半球的大多數地區由於熔巖流的不斷覆蓋，古老的地表已不復存在。平原上的少數環形山是平原形成以後受隕石撞擊的記錄。

　　峽谷　火星表面上最引人註目的特征是位於赤道地區的巨大的峽谷。最大的一個是位於赤道以南的水手谷，它實際上是一系列峽谷，在赤道地區延伸5，000多公裡，比周圍地面低6公裡。峽谷壁通常十分陡峭，有明顯的邊界，並顯示出陷落和山崩活動的跡象。如圖4所示，一些錯綜復雜的較小的峽谷可能是地下冰融解和蒸發期間形成的，也可能是由風或水的侵蝕造成。較大峽谷的成因至今還不知道。

圖4　火星上的大峽谷——水手谷

　　河床　現在的火星是一個荒涼的世界，表面不存在液態水。因而當“水手”探測器拍攝到寬闊而彎曲的河床時，人們自然感到極大的驚異。不過，這些河床與轟動一時的“運河”完全是兩回事。這些幹涸的河床，最長的約1，500公裡，寬達60公裡或更多。主要的大河床分佈在赤道地區。圖5中河床清晰可見，大河床和它的支流系統結合，形成脈絡分明的水道系統。還可以觀測到呈淚滴狀的島、沙洲和辮形花紋。支流幾乎全都朝著下坡方向流去。這些河床同地球和月球上的熔巖河床不同，肯定是由比熔巖流更少粘滯性的液體造成的。這種液體估計就是水。今天的火星表面溫度很低，大部分水作為地下冰保存下來，還有一部分被禁錮在永久的極冠之中。極稀薄的大氣，使得冰在溫度足夠高時隻能直接升華為水汽。自由流動的水看來是無法存在的。有人認為，在火星歷史的早期，頻繁的火山活動排出大量氨和甲烷等火山氣體，這種濃厚的原始大氣會產生很強的溫室效應，從而使火星表面溫暖起來，造成有水在河裡流動的條件。後來火山活動減少，火山氣體逐漸分解，其中的輕元素原子逃逸到星際空間，重元素原子同其他成分結合，火星大氣變得稀薄、幹燥、寒冷，火星表面就成為現在所看到的樣子。也有人認為，在火星歷史的早期，自轉軸的傾斜度比現在更大，因而兩極的極冠融化，大量二氧化碳進入大氣，大量的水蒸發並凝成雨滴在赤道地區落下，形成河流。至於有些大的河床，估計是火山活動和地熱融化瞭地下冰，出現大量的水沖刷火星表面而形成的。

圖5　火星上的河床

圖6　“海盜”1號拍攝的火星表面照片，視角約100°，左邊的石塊寬3米，圖中央的白桿是“海盜號”的儀器部分

　　內部結構　幾個“水手號”探測器對火星重力場的精確測量表明，火星內部有如地球那樣的核、幔、殼的結構。與地球不同的是，火星的核中含有硫，幾乎全部的鐵都成硫化鐵，沒有遊離狀態鐵。估計火星的外殼由包含大量矽和鋁以及少量鎂的較輕的巖石組成，厚約50公裡。在過去的地質時期，火星的殼和幔曾經熔化過，使較輕的物質漂浮在表面，同時造成我們現在觀測到的熔巖平原和火山構造。估計火星幔與流體外核交界處的深度約1，100公裡，而內外核的交界處的深度約為1，700公裡。（見彩圖）