火星——关于其内部表面和大气的引论

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**章火星引论
　　1.1历史上的观测
　　1.1.1使用天文望远镜之前对火星的观测
　　火星是人类自有文字记载的历史以来在科学上最受关注的天体。甚至在公元 1609年天文望远镜发明以前，天文观测者就仔细地纪录了火星在天空中移动的路 线。这颗行星明显地呈红色，使得世界上多个古代文明将其命名为战争或灾祸之神。 我们目前使用的名称^火星(Mars)，就是罗马战神的意思。火星上的几个巨大的 峡谷的命名，都是来自于不同语言中对火星的称谓，如阿瑞斯峡谷(来自于希腊语 的火星)，奥伽库峡谷(来自于印加语)，尼尔加尔峡谷(来自于古巴比伦语)。
　　对天球中运行的火星轨道进行仔细地观测，使早期的天文观测者得到两个结 论。**个是火星的轨道回归周期(回到天球中同一位置的时间)是687地球日（1.88 地球年)。波兰天文学家尼古拉斯 哥白尼(Nicolaus Copernicus)发现比地球距离太阳远的行星轨道的回归周期P与该行星在太阳系中的汇合周期災回到太阳-地球-行星 同一相对位置的时间)相关，
　　（1.1）
　　用这一关系，我们可以得到火星的汇合周期是2.14地球年。
　　在使用天文望远镜之前，观测者得到的第二个结论是火星在天空中沿一个奇特 的回路运行。如果连续观测多日，正常情况下行星都是从西向东在夜空中移动，偶 尔他们会停下来并开始反向移动一段时间，也就是自东向西，之后又停下来开始自 西向东移动，回到正常的移动方向上来。这种逆行(自东向西)移动特别发生于对距 离地球近的行星的观测。火星就具有明显的逆行轨道，甚至对用肉眼进行观测的人 来说也是明显可见的。采用地心说很难解释这一现象，需要在轨道圆上画数百个小 圆(本轮加修正)。然而，当哥白尼在1543年将太阳放在中心，令地球和其他行星 绕太阳转动，逆行轨道现象就很容易解释了。采用日心说，逆行现象就是当一个行 星在运行中追上并超过另一个行星时在观测时产生的效果。
　　火星在确定行星轨道的形状方面也扮演了重要角色。基于第谷(Tycho Brahe) 大量和精确的关于火星在天球中位置的观测，约翰纳斯 开普勒(Johannes Kepler)于 1609年推断行星轨道是椭圆的，太阳就位于其中一个焦点上。火星的轨道在太阳 系中椭圆度第二大，仅次于水星。但水星距离太阳太近而不容易观测。
　　1.1.2使用天文望远镜的地面和空间观测
　　尽管伽利略(Galileo)的小望远镜在1609年除了看到一个橘红色的星球以外并 不能发现任何新东西，但是这之后较大的望远镜却逐渐发现了这个行星的大量信 息。1610年，伽利略报告说，火星表面有凸起，并为后续的观测所验证。**个 描述火星表面反照率的报告是由克里斯蒂安 惠更斯(Christiaan Huygens)在1659年 发表的。在他绘制的火星图上标出了一个暗点，这很可能是就是塞尔提斯大平原 (Syrtis Major)。发现火星表面存在反照率不同，天文观测者就可以确定火星的自传 周期约为24小时。亮度较高的极区冰盖直到1666年才被乔万尼.卡西尼(Giovanni Cassini)发现。卡西尼的外甥夏克莫.马拉蒂(Giacomo Maraldi)继而利用几次冲的机 会对极区冰盖进行了详细的观测，其中就包括1719年的那次引起众多关注的大冲。 他还发现了南极冰盖的中心与自旋轴并不重合，极区冰盖和赤道区的暗色区域的亮 度会发生短期的变化，以及冰盖边缘的暗色区域(他解释为溶化了的冰)。
　　威廉 赫歇尔勋爵(Sir William Herschel) 1777-1783年对火星进行了观测，并成 为确定火星的自旋轴偏离其轨道法向30°的**人。这表明火星与地球一样也存在 四季。赫歇尔还将火星的自旋周期精确的确定为24时39分21.67秒。赫歇尔还推 断火星表面存在稀薄的大气，这是因为他看到火星表面图像有变化，并宣称发现了 云。目前我们知道这主要是由冰的微粒组成的白色的云。黄色的沙尘云是由奥诺利 弗拉格格斯(Honore Haugergues)于1809年发现的。
　　在我们认识火星的过程中最主要的进展开始于1830年，当时正值火星离地球 最近。约翰 冯 穆德勒(Johan Van Madler)和威汉姆 拜尔(Wilhelm Beer)绘制了人类 **张完整的火星图，并于1840年发表。这也是**张用经纬度标注地球以外行 星的地图，其零经度线定义在经过一个小的深暗点。他们还测量了火星自转周期， 为24时37分22.6秒(与目前公认的结果只差0.1秒)。从1830到20世纪初，有大 量的火星图被绘制出来，并逐渐合成为1864年的威廉 戴维斯(William Dawes)图， 1867年的理査德 普罗斯特(Richard Proctor)图，1876年的尼古拉斯 弗拉芒里安 (Nicolas nammarion)图，以及 1901~1930 年的安东尼阿迪(E.M. Antoniadi)图。尽管 普罗斯特图和弗拉芒里安图都巳经标注出了火星地貌，但是目前使用的火星地貌命 名体系却是基于乔万尼 夏帕端里(Giovanni Schiaparelli) 1877年绘制的火星图。
　　1877年火星和地球的距离非常近，由此又一次激励起发现的浪潮。重要的事 件包括由阿萨夫 霍尔(Asaph Hall)发现了火星的两颗卫星，火卫一：福布斯(Phobos) 和火卫二：戴莫斯(Deimos)。纳森尼尔 格林(Nathaniel Green)发现了在晨昏时刻， 位于火星大气临边和高纬度的白色云斑。古德(M. Gould)还在这一年尝试拍摄了人 类**张火星照片。但却是另一个观测吸引了人类这之后长达多年的注意力：夏帕 瑞里在火星表面发现了几条暗色线条，他将这些暗线称为“沟槽”。
　　夏帕瑞里报告火星表面发现了暗色线条，但他无法解释这些线条的来源。因此， 他只能用一个一般性地词汇一沟槽——来描述这一地貌。沟槽是一种自然地貌， 由流动的液体/冰、地壳构造或风形成。然而不幸的是，意大利语的沟槽“Canali” 在译成为英语时就成了 “Canal”，意为人工开凿的水的渠道的意思。
　　沟槽的发现无形中支持了其他关于火星上存在生命的观测。19世纪的观测已 经表明火星的确展示了许多与地球相似的特征。它的自旋周期只比地球长37分钟 多。由于它的自旋轴也有倾角，因此也向地球一样存在四季的变化。用望远镜也观 测到了两极的冰盖以及大气，尽管还不知道大气的成分。但与是否有生命存在相关 的，最为令人迷惑的观测还属被称为“暗波”的现象。观测显示，当春天到来一侧 的极区冰盖开始缩小时，环绕冰盖的区域的亮度就会明显变暗。当冰盖继续缩小直 至夏季，暗色的区域就会逐渐延伸到赤道区域。当秋天来临冰盖面积开始增加时， 深色的区域又开始从赤道区向极区回退，由此形成了一个“暗波”。绝大多数人认 为，这就是由于两极的冰在春夏溶化，水带来了植物的生长使得反照率降低。
　　夏帕瑞里的沟槽很快就被大家接受，认为不但在火星上存在植物，还存在智慧 生命。这一观点被一个富有的波士顿人拍斯瓦尔 劳维尔(Percival Lowell)广泛传播， 并于1894年在亚利桑那州的弗莱斯达夫建立了天文台，专门研究火星上的“沟槽”。 在这个天文台，他利用0.6m的克拉克反射式望远镜观测到了数百个单或双的“沟 槽”，见图1.1，并写了好几本书来阐述他关于这些“沟槽”形成的原因。根据劳 维尔的观点，古代的火星曾存在较厚的大气层，使得火星表面温度适宜，且保有大 量的水。一种火星的智慧生物种群生活在这样的自然环境中，并遍布整个火星。但 由于火星的体积只有地球的52%，大气逐渐向太空中逃逸，使得表面温度降低， 水大量消失。这使得火星上的智慧生物种群逐渐向温暖的赤道区转移，并建造了水渠网将极区的水引向饥渴的赤道区。劳维尔也认为，水渠的尺度太小，以至于在地 球上用望远镜根本看不到。我们用望远镜看到的，实际上还包括了水渠两边的植被。 劳维尔的书和在公众的演讲吸引了大量的热心的读者和听众，许多关于火星人的科 学幻想读物都是源自这些讨论。(例如，《火星史》和《世界之间的战争》，The Martian Chronicles and The War of the Worlds)。
　　图1.1火星“沟槽”的图像(其中的暗线)以及设想的湖泊(其中圆点)，由珀斯瓦尔 劳维尔在1894年11月9日夜晚绘制。（图片来源：劳维尔天文台档案）
　　然而多数天文学家并不确信在火星上存在“沟槽”。更为强大的望远镜并没有 看到暗线，而是看到了遍布火星表面的暗斑。科学家认为所谓的暗线只是由于观测 分辨率到了极限，观测者的想象造成的光学印象，即将那些暗点连成了线。这些极 限又被地球和火星上大气的波动所更加强化了。关于人的主观臆想的实验也证实了 这一观点。劳维尔则用他在弗莱斯达夫天文台具有的无以匹敌的观测能力进行反 击，争论直到1916年劳维尔去世之后仍在继续，一直延续到1948年在加利福尼亚 帕罗莫尔天文台建造了 5m孔径的望远镜。实际上，直到航天器探测的太空时代， 天文学家才真正确认，所谓的“沟槽”并不存在；所谓的“暗波”仅仅是火星上沙 尘在季风的带动下大范围移动所产生的。
　　望远镜孔径的增加和技术的发展，近年来极大地推动了天文观测的方式和质量 的提高，火星研究正是享用这些技术成果的领域之一。地面上红外望远镜以及哈勃 太空望远镜对火星的观测揭示了火星表面的物质组成分布，包括含水矿物的存在。 适应光学系统的诞生，以及和哈勃太空望远镜的联合观测，极大地提高了研究火 星地貌的分辨能力，达到了通常火星轨道器才能够达到的观测精度。利用地面射电 望远镜开展的对火星的无线电频段的观测，提供了表面粗糙度的定量条件，为着陆 器和巡视器的着陆选址提供了重要资料。这一关于火星表面粗糙度的地基观测能 力，只是最近才被火星轨道器上的火星激光高度计(MOLA)取代。
　　有人认为对火星的地基观测巳经过时了，正在被送往火星的大量的轨道器、着陆 器(见1.2节)所替代。事实胜于雄辩，地基观测可以连续观测或准连续观测快速变化的 现象，如大气的变化(包括沙尘暴的形成和传播)和极区冰盖的变化。由于轨道的特性， 轨道器无法实时连续观测某一局部地点或某一个事件，着陆器和巡视器的观测则更加 受限制。航天器使用的观测波段也受到仪器能力的限制，哈勃望远镜能用来观测火星 的时间也是非常少的。因此，在火星的研究中地基观测仍然承担着重要的任务。
　　1.2飞行器探测计划
　　自从人类进入太空时代之初开始，火星就是一个主要的航天器探测目的地。这 部分是由于它和地球如此接近，但使人类感兴趣的主要还是在这个地球的近邻上是 否存在生命。时至今日，探索火星的计划的初衷还是为了解答火星在过去甚至现在 是否支持生命的存在的问题。美国航空航天局(NASA)寻找水的战略就是首先研究 水是如何影响行星的地质和气候演变的，以及水对生物的支持作用。尽管人类对火星探测的兴趣高涨，然而火星并不是太空中最容易探索的地方。在历史上大约三分 之二火星探测计划部分或全部失败。表1.1中列出了时至2006年发射的所有火星 探测计划，以下将对这些计划进行更详尽的描述。
　　表1.1火星探测计划
　　1.2.1美国的火星探测计划
　　1964年美国发射水手3号和4号开始进行火星探测。尽管两个计划都发射成