火星(卷名：天文学)
Mars
太阳系九大行星之一，按离太阳由近及远的次序为第四颗，在天文学中，常以符号嗠表示。肉眼看去，火星是一颗引人注目的火红色星。它同地球的距离不断变化，因此它的亮度也不断变化：最暗时的视星等约为+1.5等；最亮时则达到-2.9等，比最亮的恒星天狼还亮得多。它在众恒星间的视位置也不断变化，时而顺行，时而逆行。由于它荧荧如火，亮度常有变化，位置又不固定，令人迷惑，所以中国古代又叫它“荧惑”；在古代罗马，因为它带有血红色，所以用战神玛尔斯(Mars)命名。火星比地球小，赤道半径为3，395公里，为地球的53％，体积为地球的15％，质量为地球的10.8％，表面重力加速度为地球的38％。火星有两个卫星，即火卫一和火卫二（见火星卫星）。
两、三个世纪以来，人们用望远镜对火星进行观测，获得许多有价值的资料。1964～1977年，美国对火星发射了“水手号”和“海盗号”两个系列共八个探测器。其中特别值得提出的是:1964年11月发射的“水手”4号经过火星附近时，拍摄了火星的照片，从而发现火星表面有不少象月球上那样的环形山；1971年11月“水手”9号对火星全部表面进行了高分辨率的照相，发现了火星上有巨大的火山、峡谷系和宽阔的河床；1976年7月和9月“海盗”1号、2号先后在火星表面软着陆，进行了多方面的探测活动，特别是进行了生物探测实验，结果表明，火星上大概不存在生命（见火星上的生命）。此外，苏联也于1962～1973年间多次发射“火星号”系列探测器研究火星及其周围空间，“火星”3号的登陆舱也实现了软着陆。所有这些探测大大丰富了人们对火星的认识。
公转和自转 火星在一个椭圆轨道上绕日公转，轨道面与黄道面的交角为1°9，轨道半长径约为1.524天文单位，轨道偏心率为 0.093。由于偏心率较大，火星的近日距和远日距相差4，200万公里。这就造成了火星冲日(见行星视运动)时同地球的距离有较大变化，图3说明1971～1999年火星“冲日”情况。图中外圈是火星轨道，内圈是地球轨道（并标出地球经过轨道不同部位时的月份）。从图中不难看出，火星与地球的距离同发生冲日的月份有关。最小距离是在 8月底，在这前后发生的冲叫作近日点冲或大冲，此时火星同地球的距离只有 5，600万公里左右。火星在轨道上运行一圈约687天，地球平均要经过780天（最少764天，最多806天左右）才与火星相冲一次。这样，相冲的点约16年在轨道上转一圈。这就是说，火星大冲大约每15年或17年发生一次。下次大冲将在1986年 7月10日发生。
火星自转的情况和地球十分相似，自转周期为24小时37分22.6秒，也就是说，火星上的一昼夜比地球上的一昼夜稍长。它的赤道面与轨道面的交角为23°59′，也比地球的黄赤交角稍大。火星上也有四季变化，但每季约为地球上两季那样长。
大气 和地球相似，火星上也存在大气。在五十年代，柯伊伯等通过分光观测，确认火星大气的主要成分是二氧化碳，还有极少量的一氧化碳和水汽。根据火星探测器“海盗”1号的直接测定，火星表面的大气压为7.5毫巴，相当于地球上30～40公里高度处的大气压。火星大气的主要成分（约95％）是二氧化碳，有约 3％的氮，1～2％的氩，合起来约为0.1％的一氧化碳和氧，还有极少量的臭氧和氢，水汽的数量很少，随季节和位置而变化，平均约为大气总量的0.01％。如果火星大气中的水全部凝聚，也只能形成0.01％毫米厚的水膜覆盖整个火星表面。
和地球上相似，火星大气中也飘浮着云，但和地球上不同的是，火星大气中云的主要成分是二氧化碳和水。火星极区的冬季，大气温度低于二氧化碳的凝固点(150K)，因而形成覆盖极区的浓雾状的干冰云。经测定，极区的云中也有冰的成分。中纬度地区的冬季，温度(190K)也在冰点以下，水汽凝结，形成冰云。
在一些大的盾形火山附近，常常能观测到延伸几百公里的云。估计这是由于火星大气中的气流遇到高耸的环形山地形时被搅乱、上升，在膨胀时变冷所形成的凝固云。这种云都出现在大气中水蒸气增多的夏季。
尘暴是火星大气中独有的现象，其形状就像一种黄色的“云”。它是由火星低层大气中卷着尘粒的风构成的。大的尘暴在地面上用较大的望远镜就能观测到。局部的尘暴在火星上经常出现。因为火星大气密度不到地球的1％，风速必须大于每秒40～50米才能使表面上的尘粒移动，但一经吹动之后，即使风速较小，也能将尘粒带到高空。典型的尘暴中绝大部分尘粒估计直径约为10微米。最小的尘粒会被风带到50公里高空。大的尘暴多半发生在南半球的春末，当火星靠近近日点的时候。尘暴的发源地处在太阳直射的纬度线上，经常发生在海腊斯盆地以西几百公里的诺阿奇斯地区。中心尘云在最初几天慢慢扩展，然后很快蔓延开来，几星期内就完全覆盖南半球。特别大的尘暴还能扩展到北半球，进而掩盖整个行星。1971年的尘暴就是这样，它在9月开始，当“水手”9号在11月到达时，已经笼罩了整个火星。尘暴的起因看来与太阳的加热作用有关。火星过近日点时，太阳的加热作用大，引起大气温度的不稳定，从而产生最初扬起灰尘的扰动。然而，一旦尘粒到了空中，吸收了更多的太阳能，这种充满尘粒的空气就会比周围大气更热，因而急速上升。别处的空气又扑去填补它原来的位置，造成更强的地面风，形成更大的尘暴。尘暴范围和强度越来越大。当尘暴最终分布到整个火星范围时，火星上温差减小，风逐渐平息，尘粒就慢慢地从大气里沉降下来。沉降过程至少要几个星期，尘暴激烈时可持续几个月之久。几乎每个火星年都要发生一次这种大规模的尘暴。
表面 在望远镜中，火星呈现为一个明亮而模糊的微红色圆面。最引人注目的是，覆盖在两极地区的白色极冠(见火星极冠)，其大小随火星季节而变化。在较大的望远镜中，还可以观测到线度至少几百公里的明亮或黑暗区域：明亮而呈桔黄色的区域称为“大陆”，几乎占火星总面积的六分之五；黑暗区域称为“海洋”，其颜色常随季节变化。
火星表面的平均温度比地球低30℃以上。火星稀薄而干燥的大气使它表面的昼夜温差常常超过100℃，远大于地球上昼夜温差的幅度。火星的赤道附近，最高温度可达20℃左右(约在午后一小时)。到了夜间，由于火星大气保暖作用很差，表面温度很快下降，最低温度（在黎明前）在－80℃以下。火星两极地区温度更低，在漫长的极夜最低温度能降到-139℃。
火星表面大致被一个倾斜于赤道30°的大圆分开。南半部和北半部的表面结构差别很大。就火星的地质史来说，南半部比较古老，表面崎岖而密布环形山。这些环形山估计多半是在火星历史的早期（可能是最初的十亿年）形成的；北半部则以大的火山熔岩平原为特征，这些熔岩平原很象月球上的“海”，断断续续地点缀着一些死火山。北半部地势普遍比南半部低，环形山也比南半部少得多。火星表面的高低差别一般在 5～10公里左右。火星的沙漠部分被红色的硅酸盐、赤铁矿等铁的氧化物以及其他金属的化合物所覆盖，因而显出明亮的橙红色。
火星表面上的地理特征，主要有：
环形山和火山 和月面相比，火星上环形山的数量要少得多，环形山边缘坡度平缓（坡度都小于10°)，不象月面环形山能投射出尖尖的影子，这表明环形山曾受到严重的侵蚀。环形山可以分为两种：火山成因的环形山和陨石撞击而成的环形山。火星上巨大的盾形火山比地球上的火山大得多。地球上夏威夷的冒纳罗亚和莫纳克亚两座火山加在一起直径约200公里，高出洋底9公里，而火星上最大的奥林匹斯火山直径约为600公里，高出周围地面26公里之多。例如火星的盾形火山在形状和结构上也酷似夏威夷的盾形火山。在各个盾形的顶端是一个环形山状的塌陷的破火山口的复合体，这些破火山口一度曾是熔岩的出口。熔岩沿着火山侧面流下，形成从中心向四面延伸的呈辐射状的地形。“水手” 9号探测器拍得的照片中有许多直径 100公里左右的处于不同保存状态的火山，它们分散在火星表面，大部分在北半球。至于由陨石撞击形成的环形山，最大的是海腊斯盆地，宽达1，600公里，深至少4公里。南半球有些地区环形山密度同月球上明亮的高地环形山区差不多，推测它们形成的年代也差不多，为40～45亿年。这些地区仍保留着古老的地表。北半球的大多数地区由于熔岩流的不断覆盖，古老的地表已不复存在。平原上的少数环形山是平原形成以后受陨石撞击的记录。
峡谷 火星表面上最引人注目的特征是位于赤道地区的巨大的峡谷。最大的一个是位于赤道以南的水手谷，它实际上是一系列峡谷，在赤道地区延伸 5，000多公里，比周围地面低6公里。峡谷壁通常十分陡峭，有明显的边界，并显示出陷落和山崩活动的迹象。如图4所示，一些错综复杂的较小的峡谷可能是地下冰融解和蒸发期间形成的，也可能是由风或水的侵蚀造成。较大峡谷的成因至今还不知道。
河床 现在的火星是一个荒凉的世界，表面不存在液态水。因而当“水手”探测器拍摄到宽阔而弯曲的河床时，人们自然感到极大的惊异。不过，这些河床与轰动一时的“运河”完全是两回事。这些干涸的河床，最长的约1，500公里，宽达60公里或更多。主要的大河床分布在赤道地区。图5中河床清晰可见，大河床和它的支流系统结合，形成脉络分明的水道系统。还可以观测到呈泪滴状的岛、沙洲和辫形花纹。支流几乎全都朝着下坡方向流去。这些河床同地球和月球上的熔岩河床不同，肯定是由比熔岩流更少粘滞性的液体造成的。这种液体估计就是水。今天的火星表面温度很低，大部分水作为地下冰保存下来，还有一部分被禁锢在永久的极冠之中。极稀薄的大气，使得冰在温度足够高时只能直接升华为水汽。自由流动的水看来是无法存在的。有人认为，在火星历史的早期，频繁的火山活动排出大量氨和甲烷等火山气体，这种浓厚的原始大气会产生很强的温室效应，从而使火星表面温暖起来，造成有水在河里流动的条件。后来火山活动减少，火山气体逐渐分解，其中的轻元素原子逃逸到星际空间，重元素原子同其他成分结合，火星大气变得稀薄、干燥、寒冷，火星表面就成为现在所看到的样子。也有人认为，在火星历史的早期，自转轴的倾斜度比现在更大，因而两极的极冠融化，大量二氧化碳进入大气，大量的水蒸发并凝成雨滴在赤道地区落下，形成河流。至于有些大的河床，估计是火山活动和地热融化了地下冰，出现大量的水冲刷火星表面而形成的。
内部结构 几个“水手号”探测器对火星重力场的精确测量表明，火星内部有如地球那样的核、幔、壳的结构。与地球不同的是，火星的核中含有硫，几乎全部的铁都成硫化铁，没有游离状态铁。估计火星的外壳由包含大量硅和铝以及少量镁的较轻的岩石组成，厚约50公里。在过去的地质时期，火星的壳和幔曾经熔化过，使较轻的物质漂浮在表面，同时造成我们现在观测到的熔岩平原和火山构造。估计火星幔与流体外核交界处的深度约1，100公里，而内外核的交界处的深度约为1，700公里。（见彩图）
参考书目
G.Eglinton and J.R.Maxwell，Mars:questions andanswers from Viking，Nature，Vol.265，pp.493～494，1977.
R.E.Arvidson，A.B.Binder，K.L.Jones，The Surfaceof Mars， Scientific American，Vol.238，No.3，pp.76～77，80～89，1978.