距离地球最近的行星:火星

伤我心太深

　　最近的地外行星：红色的火星:按由近及远的顺序，火星是第四颗围绕太阳转动的行星。由于它是太阳系内除地球之外很有可能曾存在过或还存着生命的行星，因而也是最受我们人类关注的一颗行星。在太阳系的八大行星中，火星与木星、土星、天王星、海王星这五颗行星因其运行轨道处于地球轨道之外而被称为地外行星，而火星是离我们最近的一颗地外行星。


　　一、火星概况:作为地外行星之一的火星相对于地球的视运动与地内行星有所不同。


　　在合时，火星离地球最远，黄经与太阳黄经相同，与太阳同升同落;在冲时则离地球最近，与太阳黄经相差180°，太阳西落，地外行星东升，整夜可见。在东方照和西方照时，地外行星的黄经均与太阳的黄经相差90°，东方照时在太阳之东，西方照时在太阳之西。在西方照时，地外行星子夜升起，日出时位于中天附近，下半夜见于东方天空;东方照时，地外行星在日落时到达中天，半夜时没入地平，下半夜见于西方天空。




　　显然，冲时是观测火星的最佳时机。由于火星与地球的轨道不是正圆，而且轨道平面并不重合，所以每次冲，火星与地球的距离不同。距离最近的冲叫大冲。火星冲每两年多发生一次，而大冲要每隔15年到17年才发生一次。所以，每当火星大冲时天文学家总会不失时机地抓紧观测。


　　火星在夜空中呈现为一颗明亮的红色天体，它的亮度因其与地球距离的变化而发生明显变化，在最暗时相当于一颗1.5等亮星的亮度，在最亮时视星等为-2.9等，比全天最亮的恒星天狼星还亮得多。由于它的亮度在发生着周期性的明显变化，我国古代把它称为“荧惑”，西方则以战神玛尔斯的名字来命名。


　　从它的视轨迹形态看来，在冲前后时显示有缓慢的循环往复运动，根据开普勒的理论立即明白，火星位于地球轨道之外。火星每年巡回路线的范围告诉我们，火星这颗最近的地外行星离太阳的平均距离为1.52个天文单位，公转周期为1.88年。火星的轨道是个椭圆，其偏心率为0.09，这是一个比较高的偏心率。根据火星冲时在其轨道上的位置，它离地球的距离明显不同。例如，如果当火星接近远日点时发生冲，那么它离地球的距离约为1亿千米，然而若是在火星接近近日点时发生冲，那么这个距离大约就缩短一半。


　　在火星处于上合和逼近冲这两个极端位置之间时，视角直径在3.5角秒到25.1角秒之间变化。这个尺寸的圆面允许我们准确测出它的直径。它的赤道半径为3400千米，略大于地球半径的一半。它的扁率不大，只稍大于地球的扁率。




　　海尔在1877年发现了火星的两颗小卫星。它们被命名为福波斯和德莫斯。测定它们的轨道使我们能精确地了解火星的质量。


　　的确，它们的轨道的摄动是由火星赤道的凸部所造成的。由此算出的扁率值与更直接测得的扁率值相符得很好。火星的质量约为地球的1/10。将火星的质量除以体积，我们求得火星的平均密度约为地球的平均密度的70%。


　　与地球相比较，火星中心处还不够浓缩，可能没有一个液态的核。通过跟踪像水手9号那样的火星人造卫星，现已更精确地测定了火星的质量和形状。从火星是一颗地外行星这一点可以预料到，火星在望远镜中绝不会呈现出蛾眉月似的模样。然而在接近冲时火星明显地呈现为一个凸月似的模样。


　　对火星的望远镜观测揭示出火星表面存在不变的斑点，其中有些斑点略带色彩。所看到和所拍摄到的火星外貌己绘制成图并予以命名。定时观测火星的斑点使我们能测出火星的自转周期。17世纪，胡克和惠更斯所进行的观测为我们提供了一条很长的时间基线，由此得到的火星自转周期被公认为非常精确。火星的一天仅比地球的一天长半小时。

　　从望远镜中容易看到火星的一个表面特征就是两极的冰冠。这些白色的冰冠是在火星的两极发现的。它们的大小明显地随着火星的季节的变化而变化，每个极冠在其所在半球处于夏季时甚至可以消失。它们的模样发生变化的速率表明，冰层必定很薄。在水手7号飞船探测期间，通过对火星南极冠进行红外观测，记录到它的温度为-120℃。在与火星大气相应的压力的条件下，这一温度与二氧化碳的沸点接近一致。另一方面，通过海盗2号飞船的探测使人猜想到，北极冰冠主要是水冰。


　　引人注目的是，水手9号飞船在南极冰冠上空的云层发现了水蒸气。此外，正如我们将要看到的那样，除非曾有大量的水在火星表面流动过，否则就难以解释某些引人注目的特征。火星的季节与我们地球上的季节的相似性可由它们的轨道参数和自转参数来预测。火星的轨道很接近地球的轨道平面，与黄道的交角为1°51′。火星的赤道与其轨道的交角是23°59′。当火星靠近远日点时，它的南极就倾向太阳，与地球的方式相似，南半球更热些，但夏季比北半球短。





　　借助于带有灵敏的温差电偶的望远镜和热辐射观测，对火星表面的不同部分进行了温度测量。现在这些测量已为轨道环绕火星的宇宙飞船或着陆在火星表面的海盗号飞船所进行的测量所补充。火星赤道中午的平均温度约为10℃，但在夜里这个温度急剧下降至-75℃。如此悬殊的温度变化使人想到，火星大气只起一点点保暖作用。


　　通过望远镜进行的目测和照相研究证明，火星具有一种大气。有时看到其大气的扰动，使表面细节变得模糊不清。这些扰动可能是由于云的形成，在某些情况下看得见云投影到火星的外边缘上。这些云处于火星大气中的不同高度，具有特有的颜色，它们在照片上的模样因所采用的照相底片的分光灵敏度的不同而不同。在其底层大气中，可看到黄色的云飘浮在高于地面5千米的地方。在25千米的高度以上的上层大气中，可以看到可能是由冰晶组成的白色的云;在这以下，可以看到蓝色的云。


　　火星较小的逃逸速度意味着火星的大气必定比地球大气稀薄。像氢和氦那样的轻元素显然容易逃逸，应预料到的是，只有诸如氧和二氧化碳之类比较重的气体才可能存在。然而，要用地球基地上的光谱仪有把握地辨认火星大气的成分是很困难的，因为光在进入分析仪器之前先通过地球大气。我们自身的大气强加一种强吸收特征谱线，而火星大气所产生的附加效应是比较小的。由水手号宇宙飞船携带的光谱仪揭示出在火星大气中存在着氮、氧、一氧化碳和二氧化碳。它们也显示出缺少在地球大气中占很高比例的氧分子。看来火星表面上的大气压不过几个毫巴。


　　火星大气特有的现象就是经常发生尘暴。由于火星大气稀薄而干燥，使得气候变化十分剧烈。每当火星位于近日点附近，南半球正值夏季，烈日形成的强大气流卷起沙尘时，就要发生一次大的尘暴。尘暴始起于南半球，然后迅速蔓延，进而席卷整个火星。特别强烈的尘暴所形成的尘埃云有时可持续数月之久，其风速之大，超过地球上的12级台风6倍，火星上空都被滚滚黄尘所笼罩，弄得整个火星表面都模糊不清。



　　在19世纪记录到火星表面上有某些颜色变化的标志，火星的夏季，有些区域褪去它们的绿色，转变为蓝色，这种颜色的变化使人想起地球上的植物。在春季，冰冠缩小的同时，这些区域再次转变为绿色。于是有人推测，火星表面的有些区域可能覆盖着某些植物的原始形式。1877年火星大冲，当时意大利天文学家斯基帕雷利绘制了一张火星地图，上面有一些暗线连着一些较大的暗区。这些暗线后来被误认为是一些运河，引起了人们巨大兴趣，并猜测在火星上可能存在有理智的生命。著名天文学家洛韦尔则特别提出一种假说：火星人为弥补水的供应不足而修建运河，以便把水从两极区域的白色冰冠那儿引过来。


　　包括《星球大战》在内的许多科学幻想小说，都是从这种使人发生兴趣的想法中受到启发。可惜，随着望远镜的改进，说看见“运河”变得越来越困难了。其实，它们的呈现是一种生理效应，天文学家的眼睛和头脑都倾向于把火星上微弱的标志中接近线状的条块连接在一起。当一系列水手号宇宙飞船把火星照片传送回来时，“运河”最终消失，证明“运河”并不存在。


　　水手9号的探测揭示出火星是一个比月球更为复杂的世界。它有一个巨大的区域由被撞击而成的环形山所覆盖，其余的区域由一些大大小小的火山所组成，甚至还有一些区域呈现出巨大的裂缝。火星的有些区域看来是一种散布着许多怪石和尘埃的荒漠风光。海盗1号和海盗2号拍摄的照片为我们增添了如此有特色的知识。火星表面干燥而荒凉，其表面物质含有较多的铁的氧化物，在阳光的照射下它们会把阳光中的红色和黄色光反射出来，所以用肉眼看来火星是橘红色的。


　　在火星上呈现出由撞击而成的环形山的那些区域使人想到火星的历史与月球和水星的历史都有过类似这样的阶段。当初巨大的陨石撞击火星的表面，在火星上造成了数以千计的陨石坑，即使火星的两颗卫星德莫斯和福波斯也未逃过这场撞击。它们也被陨石坑所覆盖，其广泛程度比呈现出风化迹象的火星本体还大，但是火山活动又使部分受过撞击的证据归于毁灭。在火星的塔西斯地区发现有最引人注目的四座大火山：奥林匹斯山、阿斯科拉山、帕沃尼斯山和阿西亚山。在能见度最好的情况下，有时用地球上的望远镜也可看到像一个亮点似的奥林匹斯山。奥林匹斯山是太阳系中最高大的火山，底宽600千米，形状如盾，其锥高为23千米，约为地球最高峰珠穆朗玛峰高度的3倍。所发现的其余火山的特征表明，火星上可能已不止一个时期有火山活动。


　　在火星过去的地质年代里可能有流水的河谷，河谷的“流向”朝北，从左下方到右上方。河谷的这一部分长75千米，位于赤道之北的亚马逊地区和门诺尼亚地区之间。火星上最大的峡谷“水手谷”位于赤道之南，长约4000千米。在有些地段，这条巨大的峡谷有200千米宽，6千米深;大量支谷通向这条大峡谷，除非把峡谷归因于水的冲击侵蚀，很难有别的解释。


　　二、火星的卫星


　　火星的两颗卫星，火卫一德莫斯和火卫二福波斯是很小的天体，它们很近地围绕火星公转。当火星接近冲时比较容易看到它们，但一架大望远镜还是必需的。它们的大小是通过测量它们的亮度并采用其反照率的一个值而计算得出的。这些计算得出火卫一和火卫二的半径分别约为8千米和4千米。


　　靠里的那颗卫星，火卫一以7小时38分绕火星转一周，这个周期比母行星火星的自转周期的1/3还短。因此，一个火星上的观测者在一个火星日中会有三次机会在天空同一部分看到火卫一。火卫一向东的轨道运动比由火星自转造成的向西的视运动所起的作用更大。火卫一是所看到的唯一的西升东落的卫星。


　　较远的那颗卫星，火卫二的公转周期是30小时18分。由水手9号探测器发回地球的这两颗卫星的照片表明，这两个天体呈不规则形状，其表面有陨石坑。就这两个天体的物质结构强度来说，它们小得足以在其自身的弱引力场背景上保持如此不规则的形状。火星的这两颗卫星是地月系之外最易被人登陆的天体。它们将是宇航员下次着陆的地方。估计在最近几十年内，人类的足迹将踏上它们的表面。


　　三、探测火星的新进展


　　在太阳系中，火星的地表环境与地球最为相似，探测地外生命，火星首当其冲。即使现在没有生命出现，科学家也希望能找到在过去有生命诞生的证据或生命活动的痕迹。水是生命之源。液态水更是生命能够存在的最重要的条件。所以，在火星上寻找存在水的证据至关紧要。

　　分别于2004年1月4日与25日着陆在火星上的美国“勇气号”火星车和“机遇号”火星车，对火星进行了实地探测，“机遇”号及其孪生兄弟“勇气”号的项目首席科学家斯奎尔斯说，已找到了以下4个证据，证明曾有液态水从其着陆区域的岩石上流过：


　　(1)火星车拍到的照片发现岩石上嵌有小球，小球并非集中在岩石特定岩层中。这显示它们有可能是被水浸泡过的多孔岩石中所溶解矿物的凝结产物。
　　(2)火星车相机和显微成像仪还发现岩石上有很多奇怪的小孔。矿物盐晶体在位于咸水中的岩石内部成长，然后由于腐蚀或溶解而消失，通常会形成类似特征。
　　(3)火星车上的阿尔法粒子X射线分光计还在岩床中发现了大量的硫。其他仪器的观测显示，这些硫以硫酸盐形式存在。这进一步证明岩石曾经浸泡在水中。
　　(4)火星车的穆斯鲍尔分光计还在岩石中发现了名为黄钾铁矾的水合硫酸铁矿物质，岩石处于酸性湖泊或酸性温泉环境下有可能会形成这种矿物质。欧洲空间局研制的“火星快车”号探测器于2003年12月进入火星轨道。2005年7月28日欧洲空间局公布了“火星快车”号探测器传输回地球的高清晰度照片，照片显示火星的北极附近有一块直径达八英里(12.8千米)的巨大积冰。科学家经分析认为，这块积冰是一种常年不化的水冰。


　　2008年7月31日，美国国家航空和航天局科学家宣布，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。
　　在此之前，安装在夏威夷群岛的红外线天文望远镜和安装在智利的欧洲南部天文观测台通过观测证实火星大气中含有甲烷气体。欧洲空间局的“火星快车”号火星轨道探测器也再次证实这一发现，这将是火星有可能存在生命的又一个有力证据。


　　由于火星大气成分比较独特，甲烷不会长期停留在火星大气中。然而，火星上的确存在甲烷的事实让科学家们不得不慎重思考。因为产生甲烷气体的可能有两种，一种是火星上有活火山(然而科学家们至今没有在火星上发现活火山)，另一种就是微生物活动。火星大气中的甲烷分子是不稳定的。如果其储量不能得到经常性补充的话，它在火星上的存在时间将最多不超过数百年。正如上面提到的，甲烷产生的另一种可能就是火山活动。在火山活动中它会与熔岩一道喷发出来或者直接从火星地表溢出。


　　然而，要证实这一点却并不那么容易：到目前为止，在众多的火星轨道探测器中还没有一个能纪录下火星表面火山活动的痕迹。在地球上，微生物能够利用氢气和二氧化碳气体制造出甲烷。地球上制造甲烷的微生物不需要氧气，有些科学家们表示，像这种类型的微生物完全可能在火星存在。


　　据2009年12月22日新浪科技的报道，1996年科学家对一块在南极洲发现的火星陨石进行研究，对其中包含疑似火星远古生命形式的微化石感到困惑不解。13年后，借助新的显微技术，美国国家航空和航天局科学家发现有进一步的证据证明，这块火星陨石中包含的物质和结构很可能就是火星曾存在远古生命的迹象，并不是非有机过程作用的结果。


　　这个报道所提到的陨石就是1984年美国科学家在南极爱伦丘陵发现的一块名叫“ANH84001”的陨石。通过多年的研究，科学家认为：它大约是45亿年前在火星表面形成的，是太阳系内已知的最古老物体之一。因为这块陨石内包含微小的碳酸盐结构，大约有40亿年的年龄。大约1500万年前，火星遭到一块较大的天体的撞击，把它抛向太空。这块火星陨石在太空中飞行了约1500万年之后，距今约1.3万年前降落到地球上。这块陨石的化学构成与在20世纪70年代采集到的火星大气样本分析相符合。由此推断，它来自火星。


　　但自1996年宣布这块名为“ANH84001”的火星陨石中可能有生命的遗迹后，科学界关于这项研究的争论就一直没停止过。而今，来自美国国家航空和航天局约翰逊航天中心的戴维·麦凯及其同事用先进显微技术对这块火星陨石进行观测研究。他们对其中的碳酸盐结构，重点是磁铁矿微晶体进行了研究。依靠高分辨率电子显微镜做出的新分析则显示，该陨石晶体结构中约有25%确实是由细菌形成的。此外，科学家们还从这块陨石中发现了火星上存在液态水的证据，证明这颗红色星球在过去也许曾经有着适合生命生存的条件。戴维·麦凯说：“这是火星上有生命的非常强有力的证据。”