火星
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第505页（4774字）
中国古代又叫“荧惑”，它是从太阳向外数的第4颗行星。
只有这颗行星，才能在地面望远镜中看到其固体表面。这颗略带红色的行星，有些特征与地球相似，是多年来寻找地外生命的星球。火星上也存在着稀薄的大气，表面气压仅约700Pa。
20世纪50年代，柯尹伯(G．P．Kuiper)通过分光观测，确认火星大气的主要成分是CO2，还有极少量的CO和水蒸汽。
尘暴是火星大气中显着的现象，它是由火星低层大气中卷着尘粒的风构成的。大规模的尘暴几乎每火星年都发生一次。
火星是一个三轴椭球体，两个半主轴为3394．6km和3393．4km。极半径比赤道半径短18km。
火星的质量为6．421×1023kg，平均密度3．95g／cm3。
铁约占火星成分的25%。火星有微弱的磁场，为地磁场强的2%。火星可能有金属铁核，是发电机机制的中心。
火星内部可分成3个基本圈层：壳、幔和核。壳厚度150～200km，核幔交界的深度1600±200km。幔分为橄榄石带、过渡带和熔岩带。铁核可能处于液态，混杂成分是硫和铁。
1965年以前，只在地面上进行火星观测，包括目视、照相、分光、光电和偏振观测等。第1张火星图是1659年由Chistian Huygens根据地面观测绘制而成。1867年Richard A．Proctor和1877年Giovanni Schiaparelli的火星图，是根据火星反照率绘制的。从18世纪末，天文学家就观测到火星表面的季节性变化。
火星上有两个白色极冠，这与地球相似。它们在冬季扩大，在夏季缩小，甚至消隐不见。火星表面有一些深色暗斑，也显示出季节性变化。它们在火星红色土壤反衬下，呈现绿色，于是，人们联想到这可能是火星上的植被。
从19世纪以来，曾猜测火星上有生命。
火星的自转周期24h37min，其赤道面与轨道平面的交角25°19′。
火星绕太阳公转一圈(火星年)相当于687．98d(地球)。
火星上也有四季变化。
火星轨道偏率较大，每次冲日时它到地球的距离变化较大(5500～10100km)。火星在近日点附近的冲日，叫火星大冲，这是地球上观测火星的最佳时机。
1877年火星大冲时，意大利人夏帕雷利(G．Schiaparelli)在火星表面看到一些纵横交错的线条，称它们为“canali”，后来误译成英文“canals”(“运河”)。当时，人们推测火星上存在着有智慧的生物。美国洛威尔(Lowell P．)，为此花费自己的资产在亚利桑那州建造了一个天文台，观测火星十几年，拍摄了几千张照片，绘制了几百条运河，主张火星上有生命。但是不少人持不同的见解。
直到1965年，一系列宇宙飞船探测火星后，才使这些长期有争议的问题得到澄清。探访火星的宇宙飞船有1965年水手4号，1969年水手6、7号，1971年水手9号和1976年海盗1号、2号等。
水手4号从离火星不到10000km处飞过，发回22张远距离照片，揭示出火星是个陨击坑遍布的世界。它很像月球，只是火星上陨击坑的底部平坦，因时常发生风暴，底部填满了灰尘。火星上最大的陨击坑是海腊斯(Hellas)盆地，不很圆，长径和短径分别为2000km和1600km。1969年7月和8月，水手6号和7号对火星进行近距离观测。它们共发回200张照片，显示出火星上除陨击坑外还有丘陵地带和一些大平原。这3艘宇宙飞船的探测表明，火星是一处不毛之地。
可是水手4、6、7号飞船仅从火星近旁飞过，未能再返回。1971年11月，水手9号探测器，每12小时绕火星一周，共向地球发回7329张照片。
其上装有2架电视摄像机，广角摄像机的分辨率1km，窄视场的分辨率达100m。同时，用紫外、红外光谱仪研究了火星大气的成分、温度和密度。红外光谱仪还测量表面的温度和物理特性。
水手9号发现火星极冠是由干冰组成的，是从火星大气凝结出覆盖在极区的CO2。
海盗1号、2号又探测出火星两极地区在CO2雪层下面永久存在着由水冰组成的极冠。水手9号揭示出火星表面南北半球地形和地貌的不对称性。从地貌上看，其南半球是有大量陨击坑的古老地形，类似于月球高地，而北半球则是陨击坑稀少的年轻平原。
从地形上看，南北半球存在高度差，北半球比南半球低些。
位于北半球极冠周围的大平原，一般比南半球的古老地形低2～3km。火星两半球的不对称性对应于其外壳的厚度差。
水手9号到达火星上空时，恰遇火星大尘暴。尘暴平熄后，拍摄到Olympus大盾形火山的照片，其底部直径600km，火山口直径达70～80km。
它与另外3座大的盾形火山在一起组成火山群，聚集在赤道北侧的Tharsis地区。
5000km之外还有一个火山群，位于Elysium地区。火星上的火山活动，几乎全部集中在北半球，而底部平坦的陨击坑，则大多位于火星赤道的南侧。水手9号揭示出一条大峡谷——水手谷(Valles Marineris)，长5000km，宽200km，深6km。
它基本上平行于赤道。由火山和峡谷这些地貌特征，人们相信火星上从未发生过构造板块运动。
水手谷或许是几十亿年前两个板块分裂留下的巨大裂隙。既然无板块运动，火星地幔深处的热斑便开始在同一地点将熔岩喷出到表面，形成少数大火山。
水手9号发现了干涸河床似的地貌特征，这是最有争议的特征。火星上十分干燥，找不到水，怎么会有水流冲蚀的痕迹。
海盗号探测器找到了“失踪水”的去处。
1877年大冲期间，美国霍尔(A．Hall)首次在近火星处看到了两个微弱的亮点，他把这颗卫星取名为Phobos(火卫一)和Dimos(火卫二)，分别是“恐惧”和“惊慌”之意。
水手9号第1次从近距离观察火卫一、火卫二，各得27张和9张照片。发现它们是两块凹凸不平、坑穴斑斑的岩石。
火卫一的尺寸为27km×21km×19km，火卫二的尺寸为15km×12km×11km。两颗卫星都以同一侧面对着火星。
1976年海盗1号、2号探测器的主要目标是使两个自动站在火星上着陆。基本科学目标之一是试图回答“火星上是否有或存在过生命”。1号、2号飞船各有一个轨道器和自动站。
海盗1号轨道器绕火星的轨道由远到近作过调整，由1500km到290km。为自动站寻找着陆点，并尽可能飞近火卫一。海盗2号轨道器以极低的高度飞越极区，并近距离飞过火卫二。海盗1号、2号轨道器各工作了4年和2年，而1号、2号自动站各工作了6年和2年。两个海盗轨道器载有两架电视摄像机、红外光谱仪、热辐射计，得到了水蒸汽分布图、地面热分布图。
两个自动站在下降过程中，研究了火星电离层和高空大气。
一到火星表面，它们就分析了火星大气，进行了气象观测。最重要的是用照相机观测火星的景观，实时地分析火星表面取样。同时研究了取样的物理性质、矿物成分以及寻找可能存在的有机分子。
还备有两架地震仪。海盗号发回50000多张照片，分辨率100～150m，由这些地形地势图标有千米级等高线和地名细节。海盗号在Tharsis区域周围发现大的火山构造，但这些火山今天已不活动。
最壮观的是大盾形火山，底部达数百km，如Olympus、Elysium、Ascraew、Pavonia和Arsia盾形火山。
还有大量直径数百米的小陨击山。大多数火山集中在赤道的Tharsis区和北半球平原上的Elysium区。
Arsia，Ascraeus和Pavonia 3个盾形火山排成一行，形成Tharsis链，高度均达27km。盾形火山是液态溶岩连续喷射而成。
Tharsis区的火山相当年轻。
火山活动机制是岩浆和岩石间的密度差产生的水压。
火山活动仅局限在Tharsis区和Elysium区。水手谷东端有洼地，巨砾，许多河床起源于此。
西端有曲折的地堑。火星北半球平原上显出河床的网络，呈现出3类河床：径流河道、侵蚀河道和外流河道。径流河道表明在火星早期历史上有过气候潮湿的时期，发生过水流动现象。外流河道是由洪水泛滥造成的。洪水的起源仍有争议。火星两极最年轻，观测到成层结构。
荧光光谱仪对大量土壤样本的分析，没有发现表征生命活动的有机物。火星土壤起源于富镁、铁的融熔混合产生的岩石。
火星岩石与地球岩石相比，富镁、铁、钙和硫，而钾、硅、铝含量较少。这种组分说明它们来自其幔部分融熔的物质。
火星土壤含有磁性矿。磁赤铁矿呈橘黄色或淡红色，故火星土壤呈微红色。
海盗号研究了火星大气和火星表面的变化。如大气中云的形成及演化，大气透明度的变化等。火星表面作为易挥发物质(特别是水和CO2)的贮存库是有效的：极冠中的干冰、地下冰(永冻土)；水嵌在组成风化层的磁性物质结构中。
表面物质对大气中水和CO2气体的吸附机制亦随时间变化。
大气中水蒸汽浓度随地面位置、高度和季节而变化。在一些地区出现晨雾和夜霜，这是大气微粒(大气中尘埃、水和CO2凝聚成的水冰晶粒)造成的。火星气象也有很大变化，如大气压和风的周日、半周日变化。最壮观的是季节性地形成大卷白云，主要在下午形成，发生在Tharsis地区，高度仅几千米，是山岳地形成因。
火星云不如地面云壮观，可分成4类：对流云、山岳云、波动云和雾。
当前研究热点和今后探测计划：(1)继续研究火星的火山机制、构造地质和易挥发物质的演化。海盗号已否定火星上存在生命，可是有证据表明火星历史上有过大量的水和出现过潮湿而温暖的时期长达100万年之久，有人提出火星上有可能出现过原始生物。(2)1989年，前苏联Phobos－2号飞船以及前些年发射的Mar－2、3、5号飞船，研究了太阳风与火星的相互作用，发现了行星顶(planetopause)，太阳风与火星中性大气间有电荷交换，使太阳风中的质子减少。
火星偶极磁场受太阳风控制。发现了火星冕。(3)未来的探测计划有1996～2000年火星活动年。2001～2005年火星载人飞行准备。
2006年火星载人发射。前苏联与西方合作的Mars－94／96计划，包括轨道器和一组下降舱：气球、小型自动站、穿透舱、小型活动车等。主要的目的是研究火星大气、地下冰及表面氧化层。日本也拟于1996年发射planet－B到火星，探测火星大气、磁场和表面。
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(中国科学院上海天文台刘金铭编审撰；胡中为审)