[轉貼] 火星

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火星是太陽系八大行星之一，按離太陽由近及遠的次序排列為第四顆。在中國古代又稱為「熒惑」。


概述

因為它在夜空中看起來是血紅色的，所以在西方，以羅馬神話中的戰神瑪爾斯（或希臘神話對應的阿瑞斯）命名它。在古代中國，因為它熒熒如火，位置、亮度時常變動，故稱「熒惑」。火星有兩顆天然衛星：火衛一和火衛二，都很小而且形狀奇特，可能是被引力捕獲的小行星。英文裡前綴areo-指的就是火星。

物理特徵

火星的直徑相當於地球的半徑，不過表面積相當於地球陸地的面積。由左圖可見，相較於地球，火星顯得小多了，但由於軌跡、亮度不停變換，加上近代至現代以來觀察到的多變的表面特徵、地形、大氣與氣候，身為一個親近鄰居的火星仍不減對人們的吸引力。


觀測史

火星的火紅色，自古就吸引著人們，而希臘更是稱之為戰神。此時人們觀測火星就和其他天體般，大部分是為了占星，而為了科學目的主要在十七世紀之後，如克卜勒的行星運動定律時就是依據第谷對火星運行的大量而精密的觀測資料。

自望遠鏡發明而有更進一步的觀測。第一個將望遠鏡往天上瞧的伽利略所見的火星只是一個橘紅小點，而隨著望遠鏡的發展，觀測者開始辨別到一些明暗特徵，而惠更斯依此測出火星自轉週期約為24.6小時，他亦為首次紀錄南極冠的人。而一開始大家各自觀測，意見亦不一致，地名也未統一（例如用繪製者名字命名）。不過後來義大利的喬瓦尼·斯加帕雷里（Giovanni Schiaparelli）統合了各家說法而繪製了一個較可信的地圖，而地名取自地中海、中東等的地名和聖經等作為來源，而其餘則依照舊有的觀念：暗區被認為是湖（lacus）海（mare）等水體，如太陽湖（Solis Lacus——Lake of the Sun）、塞壬海（Mare Sirenum——the Sea of Sirens）、最明顯暗大三角——大塞地斯（Syrtis Major）；而亮區則是陸地，如亞馬遜（Amazonis），而這個命名系統也延續下來。

當時，斯加帕雷里和同期觀測者一樣，觀察到了火星表面似乎有一些從暗區延伸出的細線，因為對於暗區是水體的傳統，這些細線命名為水道（canali）。而後來觀察到暗區會在冬季時縮小、夏季時擴張，有人提出暗區是植物覆蓋、而暗區的擴大縮小則是消長所引起的，改變以往認為暗區是水的說法。帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）亦觀察到，並宣稱那些「水道」其實是人工挖掘的「運河」，用來灌溉植物，因為水道應太細不可見，而看到的細線應是灌溉出的大片植物。風靡大眾的火星科幻和火星人即源於此。不過這些細線大多已證明是不存在的，部分則是峽谷或隕石坑後延伸出的深色沙子。而火星表面顏色的改變則是因為沙被風吹移，或發生火星塵暴。


地理

火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原、峽谷，而由於重力較小等因素，地形尺寸與地球相比亦有不同的地方。南北半球的地形有著強烈的對比：北方是被熔岩填平的低原，南方則是充滿隕石坑的古老高地，而兩者之間以明顯的斜坡分隔；火山地形穿插其中，流水侵蝕而成的眾多峽谷亦分佈各地，南北極則有以乾冰和水冰組成的極冠，風成沙丘亦廣布整個星球。而除此之外，火星更有很多耐人尋味的地形景觀。


火星探路者所見充滿礫石的火星表面

火山 火星的火山和地球的不太一樣，除了重力較小使山能長的很高之外，缺乏明顯的板塊運動，使火山分佈是以熱點為主，不像地球有火環的構造。火星的火山主要分佈於塔爾西斯高原（Tharsis Bulge）、埃律西姆地區和零星分佈於南方高原上，例如希臘平原東北的泰瑞納山（Tyrrhena Patera）。 地形圖中，在西半球聳立一個醒目的特徵，中央即為塔爾西斯高原，高約14公里，寬過6500公里，伴隨著盛行火山作用的遺跡，包含五座大盾狀火山，包括太陽系最高的奧林帕斯山，有21.287公里高，550公里寬。其他四座包括艾斯克雷爾斯山（Ascraeus Mons）、帕弗尼斯山（Pavonis Mons）、阿爾西亞山（Arsia Mons）和亞拔山（Alba Patera）──以體積和1600公里的直徑來看是太陽系最大的山。在大火山之間亦散佈著零星的小火山。 在火星的另一端還有一個較小的火山群，以14.127公里高的埃律西姆山（Elysium Mons）為主體，北南各有較矮的赫克提斯山（Hecates Tholus）和歐伯山（Albor Tholus）。
峽谷、河谷 在塔爾西斯高地東部有太陽系內最大的峽谷地貌：水手峽谷是一個4000公里長7公里深、複雜的大峽谷，是塔爾西斯高原形成時地殼張裂而形成。西起諾克提斯迷宮（Noctis Labyrinthus）、東經大片混沌地形（Choas）再轉北入克里斯平原（Chryse Planitia）。而克里斯低原更有數條峽谷（或河谷）「流入」，如卡塞峽谷（Kasei Valles），而各峽谷末端常有淚珠狀「島嶼」——也就是水流侵蝕的地形。 水與冰 火星的低壓下，水無法以液態存在，只在低海拔區可短暫存在。而冰倒是很多，如兩極冰冠就包含大量的冰。2007年三月，NASA就聲稱，南極冠的水假如全部融化，可覆蓋整個星球達11公尺深。另外，地下的水冰永凍土可由極區延伸至緯度約60°的地方。 推論有更大量的水凍在厚厚的地下冰層（cryosphere），只有當火山活動時才有可能釋放出來。史上最大的一次是在水手谷形成時，大量水釋出，造成的洪水刻劃出眾多的河谷地形，流入克里斯平原。另一次較小但較近期的一次，是在五百萬年前塞伯魯斯槽溝（Cerberus Fossae）形成時，釋出的水在埃律西姆平原（Elysium Planitia）形成冰海，至今仍能看見痕跡。 火星全球勘測者所照的高解析度照片顯示出有關液態水的歷史。儘管有很多巨大的洪水道和具有樹枝狀支流的河道被發現，還是沒發現更小尺度的洪水來源。推測這些可能已被風化侵蝕，表示這些河道是很古老的。火星全球勘測者高解析照片也發現數百個在隕石坑和峽谷邊緣上的溝壑。它們趨向坐落於南方高原、面向赤道的隕石坑壁上。 因為沒有發現部分被侵蝕或被隕石坑覆蓋的溝壑，推測他們應是非常年輕的。右圖是個特別引人注目的例子。短短6年，這個溝壑又出現新的白色沉積物。NASA火星探測計畫（Mars Exploration Program）的首席科學家麥克·梅爾（Michael Meyer）表示，只有含大量液態水才能形成這樣的樣貌。而水是出自降水、地下水或其他來源仍是一個疑問。不過有人提議，這可能是二氧化碳霜或是地表塵埃移除造成的。 另外一個關於火星上曾存在液態水的證據，就是發現特定礦物，如赤鐵礦和針鐵礦，而這兩者都需在有水環境才能形成。 火星「洞」 來自火星奧德塞號上熱輻射成像系統（Thermal Emission Imaging System，THEMIS）的影像顯示出阿爾西亞山北坡上有七個可能的深洞。這些被稱為七姐妹的洞，對照左圖分別是(A)Dena，(B)Chloe，(C)Wendy，(D)Annie，(E1)Abbey，(E2)Nikki 和(F)Jeanne，是以研究者所喜愛的女子名字命名。洞的大小，寬度從100到252公尺，深度認為至少73至96公尺深。由於大部分的洞光線無法抵達底部，因此底部可能更深、更寬。而Dena例外，她已被測出有130公尺深。由於洞底可能免受微隕星、紫外線、太陽閃焰和其他高能粒子的侵害，加上這七個洞都有早晚溫差較周圍環境小的特點，一些科學家認為這些洞可能是未來尋找液態水或生命痕跡的可行地點。

• 零海拔：因為火星上沒有海洋所以也就沒有海平面，零海拔或平均重力表面必須人為確立。於是選擇了平均大氣壓是610帕（6.1毫巴）的等壓線作為零海拔線，那裡的氣壓約為地球表面大氣壓的0.6%。
• 零度子午線：火星赤道是以它的自轉確定，但火星的本初子午線是人為指定的，跟地球一樣，選擇是隨意的，大家約定俗成。1830-32年，德國天文學家威廉 Beer和Johann Heinrich Mädler選擇一個小圓形特徵作參考點以製作火星的第一張系統地圖，1877年被意大利天文學家喬瓦尼·斯加帕雷里採用作本初子午線。在1972年，水手9號測繪火星地貌後，沿著Beer和Mädler的線，蘭德公司的Merton Davies在他建立一個地理控點網絡後提出火星精確的0.0°經線定義：是一個位於子午灣（Sinus Meridiani，或子午線平原（Meridiani Planum））的小隕石坑（稍後被稱為Airy-0）。

地質 依據軌道探測船和火星隕石的研究，火星北方低原主要由玄武岩構成，也就是古代大片熔岩流的遺跡，而南方高原主要是安山岩，但是有很大部分地表由於被沙塵覆蓋（也就是淺褐色亮區）而未知下方岩性。另外，火星地表的厚沙塵主要成份是氧化鐵（Fe2O3），因此呈褐紅色。 分層結構 科學家對於火星結構，無法像地球一樣是以震波測量，而主要是依據既有經驗和火星密度來推測，分為三層：

• 地核半經約1480公里，除了主要的鐵還包含15~17%的硫，較輕元素含量亦為地球的兩倍。而因為包含如硫等這些低熔點元素，這硫化鐵的核仍部份融熔。
• 核外包覆矽酸鹽的地函，曾形成火星地表的構造與火山，但現今似乎不活動了。
• 火星的地殼比地球的厚，研究者結合火星重力測量和火星地形圖，得出火星的地殼厚度：北方低原厚40公里，南方高原厚70公里，平均50公里，而塔爾西斯高原和南極高原至少80公里，而在撞擊盆地較薄，如希臘盆地只有近10公里。而最厚可達125公里。反觀地球，平均厚約40公里，以兩個星球大小比例來看只有火星的三分之一。

地質年代 科學家對於火星地表年齡的判斷不像在地球能用放射性定年法，目前只能靠探測照片推定，因此科學家提出一個方法：依照一地的隕石坑密度來估算地表年齡，例如：

• 一地隕石坑密佈、甚至相鄰相疊，此地可能老於35億年，包括約41億至38億年前的後期重轟炸期（Late Heavy Bombardment）。
• 若一地隕石坑散佈、較疏，則年齡可能約30億至10億年。
• 若一地很少或沒有隕石坑，則年齡可能小於5億年。

舉例來說，月球高地隕石坑普遍密佈，可以推斷她地表年代久遠（44億至38億年前）；而反觀月海，隕石坑小而稀，因此較年輕（38億至32億年前）。而火星南方高地因隕石坑密佈，故較古老；而平坦的北方低原則較年輕，所以地表的不同地方代表不同年齡。依照這個方法，火星地質年代分為三個階段：

• 諾亞紀（Noachian Era），46～35億年前，再分為早（early）、中（middle）、晚（late）諾亞紀。這時期火山活動旺盛，隕石撞擊頻繁，大氣層較厚（至少早期是如此），也可能更溫暖，而水分多，可能存在湖泊甚至海洋，侵蝕旺盛，形成河谷，水流也帶來沉積物沉積。塔爾西斯高原形成。此時期是以南半球的古老諾亞高原（Noachis Terra）命名。
• 赫斯伯利亞紀（Hesperian Era），35～18億年前，再分為早、晚赫斯伯利亞紀。此時期是一個轉換到現在的過渡期，大量的水開始滲入地底凍結，由於水的減少，侵蝕搬運減少，雖然有時會有地下水層爆發造成地方性的崩塌、洪水。地質作用減少，主要是大片熔岩平原形成。此時期是以一個南半球中年的赫斯伯利亞高原（Hersperia Planum）命名。
• 亞馬遜紀（Amazonian Era），18億年前至現在，再分為早、中、晚亞馬遜紀。此時期與現在類似，乾、冷，地質作用和隕石撞擊更少、但更多樣，而不時有些許水份自岩石溢出至大氣或地表，形成溪壑。奧林帕斯山和熔岩平原在此時形成，此時期是以北半球的一個年輕、被熔岩填平的亞馬遜平原來命名。

順帶一提，大部分有固體地殼的星體可依此訂出地質上各個時期，但地球、金星等不能，因為她們都有強烈的地表侵蝕、重塑與再造，早期的地表不是進入地函熔融，就是失去原始外貌，因此不能以隕石坑疏密度來判定年齡或建立地質年代表。 磁場 雖然火星沒有磁場，但部分地殼有被磁化，亦有地磁反轉的痕跡，和類似地球中洋脊兩側的連續反轉磁帶。1999年的一個理論（在2005年十月重新檢驗，右圖），說明這些磁帶證明至少四十億年前（火星發電機停止運轉前）火星是有板塊構造的。
火星稀薄且充滿塵埃的紅色大氣層（但火星的天空是粉紅色的）。此圖左下方是阿爾吉爾盆地。

大氣

火星大氣層很薄，表面平均氣壓是只有7.5毫巴（約為地球的0.75%）。成分為95%的二氧化碳，3%的氮氣，1.6%氫氣，很少的氧氣、水氣、一氧化碳、氖、氪和氙等，亦充滿著很多塵埃。地表溫度白天可達28℃，夜晚可低至-132℃，平均-57℃。雖然二氧化碳量是地球之數倍，但因缺乏水氣，所以溫室效應只有10℃，比地球的33℃低。

• 大氣結構

依據氣溫變化，火星大氣可分為三層：低層大氣、中層大氣、高層大氣（熱氣層）、逸散層。

氣候 由於火星的自轉軸有明顯傾斜，亦有明顯的四季變化，不過一季約為地球的兩倍長。另一不同於地球的是，火星的軌道離心率比地球大，就是火星近日點、遠日點的差別較大，當位於近日點時，南半球處夏季，比北半球遠日點夏季所造成的升溫更強，而北半球的冬天亦比南半球的冬天冷。

• 大氣環流

火星大氣環流主要為單胞環流，由赤道相對熱空氣上升，漂至極區下沉，再沿地面回到赤道。另外，在火星的夏半球，極冠的二氧化碳昇華進入大氣，使氣壓升高；而冬半球由於二氧化碳凝華，氣壓下降，由於進出大氣的二氧化碳量高達25%，造成南北壓力差，空氣便傾向由高壓的夏半球流向低壓的冬半球，形成另一依季節而變向的環流。因此火星的天氣系統趨向成為全球性的，例如塵暴。

塵暴 由於火星氣壓低，當太陽甫照地表時，大氣便能快速增加動能，風速大，加上低重力，塵埃很容易被捲入空中。而就在南半球春夏季時，增溫快，易形成強烈的風，捲起的狂沙再加強增溫，風速更快，終於形成塵暴，從太空可看到一片褐色塵雲旋轉、移動。而這些區域性塵暴有些甚至發展成全球性塵暴，將整個星球籠罩在橘霧之下。例如水手9號剛到達火星的時候，火星就被全球性塵暴遮住而無法觀測；2007年7月到8月初，精神號與機會號就因沙塵暴的發生，太陽能板接收不到足夠的光線而暫停工作。

塵捲風 常發生於地球的乾燥沙漠，而在遍佈砂石的火星也一樣常見。塵捲風（dust devils）宛如迷你形龍捲風，當地表被加熱時，上方空氣便上升、旋轉，挾帶砂石，在地表上游走，在經過的地方因為把上層淺沙帶走，留下深色軌跡。

雲 火星的雲不像地球那麼多又較厚實，由於冷、乾、氣壓低，火星的雲通常不多且薄，有些是水冰構成，有些是乾冰構成，如果參雜沙塵則由白色變成黃色的黃雲，另外一些常見的雲，如塔爾西斯山區和埃律西姆山區的山雲、哈伯太空望遠鏡中常見的赤道雲、火星邊緣的藍色雲靄等。

甲烷的發現 2003年火星大衝時用地面望遠鏡在其大氣中發現了甲烷。2004年3月，火星奧德賽號確認了這一發現。甲烷的存在是很有趣的，因為這是種不穩定的氣體，容易被強烈紫外線分解為自由的碳與氫，因此現在（或者最近幾百年內）在火星上一定存在某個不明來源，火山作用，地質作用，彗星或小行星撞擊，或甲烷古菌都有可能。

火星衛星 火星有兩個天然衛星，為火衛一（Phobos）與火衛二（Deimos），都和火星以潮汐力互相鎖定，因此他們總是以一面對著火星。因為火衛一的公轉繞軌道比火星自轉更快，所以潮汐力會慢慢但穩定地減小它的軌道半徑。未來，火衛一將因軌道低於洛希極限而被瓦解。另一方面火衛二因為離火星足夠遠，所以它的軌道反而正在慢慢地被推進。

兩顆衛星是在1877年被阿瑟夫·浩爾（Asaph Hall）發現的，被以希臘神話中的福波斯和德莫斯命名，在古希臘神話中皆為戰神瑪爾斯的兒子.

火星衛星名稱直徑 (km)質量 (kg)公轉半徑 (km)公轉周期火衛一 (Phobos)平均22.2
(實際27 × 21.6 × 18.8)1.08×101693787.66小時火衛二 (Deimos)平均12.6
(實際10 × 12 × 16)2×101523,40030.35小時
從火星上看，火衛一的角直徑約為12'，火衛二的角直徑約為2'。而太陽的角直徑約為21'。

火星探測

自1964~1977年的13年間，美國共發射8個火星探測器，有的繞火星運轉，有的在火星著陸。對火星進行了全面的考察，並繪製了火星地面圖。 許多空間飛行器，包括許多人造衛星、登陸艙和漫游器，已經被蘇聯、美國、歐洲和日本發射向火星用以研究行星的表面、大氣、和地理。大約三分之二去往火星的空間飛行器在計劃未完成或是剛剛開始時便出現問題而因此導致任務失敗。
因為火星的位置，和其他很多種原因，火星是人類宇宙探索中（除了地球外）最了解的行星。

小行星撞擊 2007年11月20日NASA JPL近地天體觀測計畫發現，一顆直徑約50公尺的小行星2007 WD5會在2008年1月30日掠過火星，根據2008年1月9日的最新計算，它會從距火星中心26,000公里處掠過，99.7%的機率會大於4,000公里，而撞擊機率小於0.01%，也就是幾乎不會撞擊。假如發生撞擊，將在機遇號北方形成一個寬約800公尺的隕石坑，相當於1908年發生在西伯利亞通古斯的撞擊規模，但不同的是，通古斯事件的天體是在空中爆炸，而火星大氣較薄，會直接撞擊地表。據估計，火星上大約每數千年會發生一次類似撞擊。

火星生命 2000年，一塊火星隕石是美國於南極洲發現，編號為ALH84001的碳酸鹽隕石。美國國家航空航天局聲稱在這塊隕石上發現了一些類似微體化石結構，有人認為這可能是火星生命存在的證據，但有人認為這只是自然生成的礦物晶體。但直到2004年，爭論的雙方仍然沒有沒有任何一方佔據上風。

有證據顯示火星曾比今日更適於生命的存在，但生命到底在火星上是否真正存在過還不能給出確切的結論。某些研究者認為源自火星的ALH84001隕石有過去生命活動的證據，但這一看法至今尚未得到公認。另有反對的觀點認為，自從該隕石幾十億年前產生以來，它從未長期處於液態水存在的溫度下（因而不會曾有生命活動）。

海盜號曾做實驗檢測火星土壤中可能存在的微生物。實驗限於海盜號的著陸點並給出了陽性的結果，但隨後即被許多科學家所否定。這是正在進行中的爭議。現存生物活動也是火星大氣中存在微量甲烷的解釋之一，但亦有其它與生命無關的解釋。

將來人類若對外星殖民，由於火星的友善條件（同其他行星相比，火星最像地球），它很可能是我們的首選地點。



改造火星
有些人認為火星的環境可以被改造成類似地球的樣子，而這個過程稱為地球化（Terraforming），主要是為了未來暴增人口的移民。可以有以下幾個方法：

• 在大氣中增加適合適量的氣體(包括溫室氣體和適合生物生存的氣體)，增加地表溫度與氣壓，主要是為了液態水，其次是植物、動物。
• 在太空中架設巨大反射(或折射)鏡群，將陽光反射至火星表面。
• 大量融解地下凍土層，再把水引到地表。雖然一開始會結冰，但隨著工程進行，冰層進而融化形成水圈。
• 在冰上(包括兩極)培植深色藻類進而加速融化。
• 散佈固沙菌類、植物，防止沙暴的發生，進而生成土壤，擴大居住地。

在進行融化地下層時，雖然上層凍土的重量會把下面融解的液態水擠到地表，但是地層會下陷，而且結成的冰會增加地表的反照率，加上昇華至大氣的水，都會改變氣候，因此這些因素都要考慮進去。

另外，來自太空的輻射。雖然可以用太空的反射鏡處理，但是這些鏡子是非常脆弱的。不過隨著大氣逐漸增厚，問題就小多了。最根本的辦法就是到地核去啟動火星的磁場，抵抗太陽風和宇宙射線。但是這需要大量的能量，需要的技術還得再加強，況且地磁的成因都還尚未明瞭。

改造火星一般估計皆要花非常長的時間（例如千年），不過在動工之前，人類應完整而仔細的審視這星球的一切，並且設立保護區與開發限制，因為只要一開工，保存久遠的地質資料和景觀可能因為加速侵蝕而造成破壞，例如位於極冠中的沉積資料可能會消失，是後悔都來不及的。


中國

古人觀測火星時，認為火星在位置上及亮度上都常變不定，故又稱「熒惑」，在星占學上象徵殘、疾、喪、飢、兵等惡象。「熒惑守心」是火星留守在「心宿」（天蠍座）的天文現象，「心宿」主要是有三顆星，中間這顆最亮，代表皇帝，旁邊的兩顆代表太子、庶子，「熒惑守心」是一個很罕見的天象，被認為是最不祥，可能出現兩種結果一是皇帝駕崩，或是宰相下臺。西漢成帝綏和二年（7年），天文台觀測到了「熒惑守心」的天象，宰相翟方進被漢成帝賜了毒酒自殺。翟方進死沒幾天，漢成帝突然暴斃，王莽後來稱帝，翟方進之子翟義起兵反王莽。中國史籍中記載「熒惑守心」記錄共二十三次，中國歷史上所有實際發生過的「熒惑守心」天象共三十八次。

[ 本帖最後由 godzilla 於 2008-4-24 19:12 編輯 ]