关于火星的小知识

火星的真实色彩影像,2007年2月由罗塞塔号拍摄,图:ESA – European Space Agency & Max-Planck Institute for Solar System Research for OSIRIS Team ESA/MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

火星(Mars),是离太阳第四近的行星,为四颗类地行星之一。在英语中火星被称为玛尔斯(Mars,意思是战神),古汉语中则因为它荧荧如火,位置、亮度时常变动让人无法捉摸而称之为荧惑。火星在视觉上呈现为橘红色是由其地表所广泛分布的氧化铁造成的。无论是质量还是体积,在太阳系的八大行星中,火星比水星略大,为第二小的行星。火星的直径约为地球的一半,自转轴倾角、自转周期则与地球相当,但绕太阳公转一周则需花费约两倍于地球的时间。

1965年水手4号首次飞掠火星之前,很多人猜测火星上有液态水,因为望远镜观测到的明暗特征犹如陆地和海洋,而一些细长条纹则被认为是灌溉用的运河。虽然之后证实细线并不存在,可能只是错视,但火星已经证实有液态水,甚至生命。火星快车号和火星侦察轨道器的雷达数据显示两极和中纬度地表下存2013926日,火星探测车好奇号发现火星土壤含有丰富水分,大约为1.53重量百分比,显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。20159月证实火星有间歇流动的液态水(液态盐水)。

火星目前有四艘在轨运行的探测船,分别是火星奥德赛号、火星快车号和火星侦察轨道器以及刚抵达的MAVEN轨道器,数量是太阳系内除了地球以外最多的。地表还有很多火星车和着陆器,包括两台火星探测漫游者:精神号和机会号,和最近结束任务的凤凰号。根据观测的证据,火星以前可能覆盖大面积的水。亦观察到最近十年内类似地下水涌出的现象。火星全球勘测者则观察到南极冠有部份退缩。

 

火星的卫星

 

火星有两个天然卫星:火卫一和火卫二,形状不规则,可能是捕获的小行星。在地球,火星肉眼可见,亮度可达-2.9,只比金星、月球和太阳暗,但在大部分时间里比木星暗。

File:Phobos deimos diff horizontal.jpg

火卫一(左)和火卫二(右)大小比较(合成图)。图:PD-USGov-NASA


火星的物理特征

 

火星直径约是地球的一半,体积为15%,质量为11%,表面积相当于地球陆地面积,密度则比其他三颗类地行星还要小很多。以半径、质量、表面重力来说,火星约介于地球和月球中间:火星半径约为月球的两倍、地球的一半,质量约为月球九倍、地球的九分之一,表面重力约为月球的2.5倍、地球的2.5分之一。

 

火星的自转与公转

 

火星与太阳平均距离为1.52AU,公转周期为687地球日,1.88地球年(以下称年),或668.6火星日。平均火星日为24小时3935.244秒,或1.027491251地球日。

火星自转轴倾角为25.19度,和地球的相近,因此也有四季,只是季节长度约为两倍。由于火星轨道离心率大,为0.093(地球只有0.017),使各季节长度不一致,又因远日点接近北半球夏至,北半球春夏比秋冬各长约40天。20091026日为北半球春分,2010513日为夏至,目前北半球处春季。

火星轨道和地球的一样,受太阳系其他行星影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期,分别是96千年和2.1百万年,于0.0020.12间变化;而地球的是十万年和41.3万年等,于0.0050.058间变化(见米兰科维奇循环)。目前火星与地球最短距离正慢慢减小。至于自转轴倾角,火星目前是25.19度,但可由13度至40度间变化,周期一千多万年,不像地球的稳定处于22.124.5度间,是因为火星没有如月球般的巨大卫星来维持自转轴。也因没有大卫星的潮汐作用,火星自转周期变化小,不像地球的会被慢慢拉长,因此现今两行星的自转周期相近只是暂时现象。

火星基本上是沙漠行星,地表沙丘、砾石遍布,没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷,沙尘悬浮其中,每年常有尘暴发生。与地球相比,地质活动不活跃。

            火星地表地貌大部份于远古较活跃的时期形成,充满撞击坑,有密布的陨石坑、火山与峡谷,包括太阳系最高的山:奥林帕斯山和最大的峡谷:水手号峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别:南方是古老、充满陨石坑的高地,北方则是较平坦的平原,两极皆有主要以水冰组成的极冠,而上覆的干冰会随季节消长。

基于撞击坑密度的撞击坑计数法可判别出地表年龄:撞击坑大而密集处较老,反之则年轻,进而将地质年代分为四个阶段:前诺亚纪、诺亚纪、赫斯珀利亚纪和亚马逊纪。前诺亚纪没有留下实质地表,此时地形南北差异形成,有全球性磁层;诺亚纪有大量陨石撞击,火山活动旺盛,可能有温暖潮湿的大气、河川和海洋,侵蚀旺盛,但到末期这些活动已减弱很多;赫斯珀利亚纪,火山活动仍然继续;亚马逊纪则是大气稀薄干燥,以冰为主要活动,如极冠、冰冻层、冰河,并有周期性变迁,沟壑也是这时期形成,火山活动趋缓并集中在塔尔西斯与埃律西昂。

由于火星比地球小,相对表面积与体积成反比而较大,因此火星核心的冷却得比地球快,地质活动趋缓,磁场和板块运动消逝,大气变薄使液态水无法稳定存在。

现今火星风成地形遍布,如吹蚀、磨蚀等风蚀作用,和沙尘遇地形阻碍而填积、侵积等风积作用。(名词解释:)前者形成如广泛分布于梅杜莎槽沟层的风蚀脊,后者则如大瑟提斯高原上撞击坑下风处的沙尘堆积,和撞击坑中常见的沙丘。

20128月,加利福尼亚大学洛杉矶分校的教授尹安在分析了100张来自火星勘测轨道飞行器的卫星图片后发现,火星有类似地球主要板块划分的构造特点。

 

火星的地理信息

 

火星地形图,中央为东经180度。低到高顺序为蓝、绿、黄、红到最高的白。

火星和地球一样拥有多样的地形,有高山、平原和峡谷。南北半球的地形有着强烈的对比:北方是被熔岩填平的低原,南方则是充满撞击坑的古老高地,而两者之间以明显的斜坡分隔;火山地形穿插其中,众多峡谷分布各地,南北极有以水冰与干冰组成的极冠,而风成沙丘广布整个星球。随着卫星拍摄的越来越多,更发现很多耐人寻味的地形景观。

20世纪早期地面以无线电波测量火星地形。1976年海盗号进行的地形测量,发现了峡谷和南北半球的巨大差异,而衍生出北方平原本是海洋的假说。火星全球勘测者自1999年起以雷射进行更精确的地形测量,得出目前使用的全球地形图,以火星大地水准面(Areoid)为基准,最高点在奥林帕斯山,高21,229公尺;最低点在希腊平原,低于基准8,200公尺。现在很多探测器如火星勘察卫星、火星快车号和火星探测漫游者运用航照图的地形判别方法,以视差法来测量区域地形,并制成高分辨率立体照片。

火星的经度坐标采用东经0360度,不是地球的东西经各180度。

来自火星奥德赛号上热辐射成像系统(THEMIS)的影像显示阿尔西亚山北坡有七个可能的深洞,照片中光线无法抵达底部,推测底部可能更深、更宽,可能免受微陨星、紫外线、太阳闪焰和其他高能粒子的侵害,可能是未来寻找液态水或生命痕迹的可行地点。但后来火星勘察卫星的更高分辨率HiRISE影像部分推翻了之前猜测,认为只是光线角度造成深不见底的样子。

 

火星的大气

 

            十八世纪自地面望远镜观察到云,显示火星拥有大气层。自地面的光谱测量发现大气主要为二氧化碳。1960年代水手4号、6号和7号亦证实此结果,但测出平均地表气压只有6百帕,小于地球表面气压的1%,相当于地球表面算起35公里高的气压,如此低的气压使声音传播的距离只有在地球上的1.5%。随着二氧化碳与水气量的季节变化,气压变化可达20%。由于火星比地球离太阳远,日射量较少,表面温度应较低,计算值约210K,但实际观测地表平均约240K,则是因为大量的二氧化碳所造成的温室效应。由于大气层很薄,无法保留很多热,使地表日夜温差很大,某些地区地表温度白天可达28℃,夜晚可低至-132℃,平均-52℃。

火星大气成分为95%的二氧化碳,3%的氮气,1.6%氩气,很少的氧气、水气等,亦充满着很多悬浮尘埃,吸收蓝光使天空成黄褐色。2003年火星大冲时地面望远镜在大气中发现了甲烷;20043月,火星奥德赛号确认了这一发现。由于甲烷易被紫外线分解,存在甲烷表示现在或者最近几百年内在火星上存在制造甲烷的来源,火山作用、地质作用、彗星或小行星撞击甚至生物来源如甲烷古菌等都有可能。

2013919日,根据从好奇号得到的进一步测量数据,NASA科学家报告,并没有侦测到大气甲烷(atmospheric methan)存在迹象,测量值为0.18±0.67 ppbv,对应于1.3 ppbv上限(95%置信限),因此总结甲烷微生物活性概率很低,可能火星不存在生命。但是,很多微生物不会排出任何甲烷,仍旧可能在火星发现这些不会排出任何甲烷的微生物。

File:Mars atmosphere.jpg

由太空所见的火星稀薄且充满尘埃的红色大气层。左下方是阿尔及尔平原。图:NASA

 

火星上的气候

 

火星自转轴有明显倾斜,日照的年变化形成明显的四季变化,而一季约为地球的两倍长。虽然火星没有地球般受海洋影响的复杂气候,但仍有以下特殊之处:火星轨道离心率比地球大,造成日射量在一年当中变化更大,位于近日点时,南半球处夏季,比北半球远日点夏季所造成的升温更强;随季节交替,二氧化碳和水气会升华和凝结而在两极冠间迁移,驱动大气环流;地表反照率特征,因颜色深浅和沙、岩性质差异而造成的热惯量(thermal inertia)不同,可影响大气环流;易发生的尘暴会将沙尘粒子卷入高空,沙尘粒子吸收日光与再辐射会使高层大气增温,但屏蔽天空的沙尘会使地表降温;自转轴倾角和轨道离心率的长期变化则造成了气候的长期变迁。火星表面的平均温度比地球低30度以上。

 

火星上的水文

 

火星地表遍布着流水的遗迹,有些是洪水刻画而成,有些则是降雨或地下水流动而形成,但多半年代久远。冲蚀沟(gullies)则是另一类规模较小的地形,但形成年代十分久远,常分布于撞击坑壁,型态多样。关于成因有两派说法,一派认为是由流动的水造成,另一方则认为是凹处累积的干冰促使了松软物质滑动。

火星南北极有明显的极冠,曾被认为是由干冰组成,但实际上绝大部分为水冰,只有表面一层为干冰。这层干冰在北极约1公尺厚,在南极则约8公尺厚,是冬季时凝华而成,到夏季则再度升华进入大气,不过南极的干冰并不会完全升华。夏季仍存在的部分称为永久极冠,而整体构造称做极地层状沉积(Polar Layered Deposits),和地球南极洲与格陵兰冰层一样为一层层的沉积构造。北极冠宽达1,100公里,厚达2公里,体积82.1万立方公里;南极冠宽达1,400公里,最厚达3.7公里,体积约1.6百万立方公里。两极冰冠皆有独特的螺旋状凹谷,推论主要是由光照与夏季接近升华点的温度使沟槽两侧水冰发生差异融解和凝结而逐渐形成的。

2011年由火星勘察卫星的浅地层雷达发现南极冠有部分原本认为是水冰的地层其实是干冰,所含二氧化碳量相当于大气含量的80%,这比以往认为的要多很多。根据此的仿真结果,十万年一周期的气候变迁中借由干冰升华、凝结,大气总质量的变化幅度会达数倍。由这些干冰沉积上方地表的下陷与裂隙判断,干冰正在慢慢升华。

自海盗号即发现,火星北半球中纬度有几处峡谷底含有条纹流动状的地表特征,但不确定是富含冰的山崩、含冰土的流动或是尘砾覆盖的冰河。但根据更新任务的数据与比对地球的相关地形,支持这些是冰河,且推测是自转轴倾角较大时的气候状态下所累积的。

由火星奥德赛号X射线光谱仪的中子侦测器得知,自极区延伸至纬度约60°的地方表层一公尺的土壤含冰量超过60%,推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层(cryosphere)。另外一个关于火星上曾存在液态水的证据,就是发现特定矿物,如赤铁矿和针铁矿,而这两者都需在有水环境才能形成。

对于于火星上有冰存在的直接证据在2008620日被凤凰号发现,凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体,当时研究人员揣测这些物体不是盐(在火星有发现盐矿)就是冰,而四天后这些白粒就凭空消失,因此这些白粒一定升华了,盐不会有这种现象。2008731日,美国航空航天局科学家宣布,凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生,从而最终确认火星上有水存在。

2013926日,美国航空航天局科学家报告,火星探测车好奇号发现火星土壤含有丰富水分,大约为1.53重量百分比,显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。

2015928日,美国航空航天局宣布,在火星上发现液态的盐水。根据火星勘测轨道飞行器配备的光谱仪获得的数据,研究人员在火星的神秘斜坡上发现了水合矿物。这些暗色条纹表明火星地表随时间变化有流水存在。在较温暖的季节,这些线条的颜色变得更深,表明水流在斜坡上出现,在较冷的季节,这些地表特征变浅。在火星的部分地区,最高温度可以达到摄氏零下23度,此时深色线条最明显。


火星文化说

 

古中国:取其“荧荧如火、亮度与位置变化甚大使人迷惑”之意,命名“荧惑”。《尚书·舜典》记载:“在璿玑玉衡以齐七政。”孔颖达疏:“七政,其政有七,于玑衡察之,必在天者,知七政谓日月与五星也。木曰岁星,火曰荧惑星,土曰镇星,金曰太白星,水曰辰星。”今日则取名“火星”。

古希腊:因火红之色而取名“Ares”(音:阿瑞斯),原自希腊神话的战神,天神宙斯的儿子阿瑞斯(希腊语:Ἀρης)。

古罗马:因火红之色而取名“Mars”(音:马尔斯),原自罗马神话的战神玛尔斯(拉丁语:Mars)。

 

参考资料

1.  WJ百科-英文版

 

文章作者北极光

审核人员:北极光

最终审核: 零度星系

编辑用时:2018年11月26日-2018年11月27日

审核用时: 一个小时

最后更新:2018年11月27日星期一


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全文排版:天文在线(零度星系)/北极光

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