让我们一起来认识火星

互推小编 2024-01-01

火星是距太阳第四颗行星，自古以来就以其红色着称。火星以罗马战神的名字命名，并从它的颜色中取名。也许是因为它血腥的色调、它离地球很近以及它随季节变化的表面特征，火星在人类文化和神话中扮演的角色比任何其他行星都重要。

来自航天器图像的火星马赛克，中央是巨型峡谷系统 Valles Marineris。 (美国地质调查局)

自古以来，火星就象征着战斗、鲜血、勇气、强烈的奉献精神、侵略性和胜利。火星的希腊名字是阿瑞斯。现代为火星的两个小卫星选择的名字，Phobos（“恐惧”）和 Deimos（“恐怖”），在神话中指的是阿瑞斯的骑士，并与古代世界末日的骑士建立了天文学联系。

在北欧神话和更广泛的日耳曼异教中，Tiw 或 Tyr 是与战斗和誓言相关的单手神。工作周的第二天，星期二，它的名字来自古英语单词，意思是“Tiw's day”。这个名字是基于拉丁文 dies Martis，“火星日”；比较：法国狂欢节、西班牙狂欢节和意大利狂欢节。

轨道和观察

火星绕太阳公转的距离约为地球平均距离的 1.5 倍，公转周期为 687 天。火星的轨道偏心率 (0.0934) 大约是地球的六倍，因此它与地球的距离变化很大——从轨道近日点附近“有利”对冲的 3500 万英里（5900 万公里）到 2.48 亿英里（3.99 亿公里）公里）在其远日点附近的上合点。正因为如此，火星的表观大小变化很大，从 3.5 到 25 角秒不等，亮度从 -2.9 等到 +1.7 等。

哈勃太空望远镜拍摄的火星四视图。（美国宇航局）

在小型望远镜中，火星显示出许多激发科幻作家想象力的表面特征。可以看到突出的白色极冠，以及其表面奇怪的暗色标记。这些标记表明火星每 24 小时 37 分钟自转一次 - 因此它的一天几乎与地球的一样长。火星也有一个与地球非常相似的轴向倾斜，并且有像地球一样的季节。极冠在火星夏季和冬季收缩和扩张，其表面的深色图案也显示出季节变化。火星的大气层云层稀疏，偶尔会出现沙尘暴，有时会在数周内覆盖整个星球表面。

哈勃太空望远镜拍摄的火星全球沙尘暴。（美国宇航局）

航天器探索

一旦我们开始用望远镜研究火星，那颗行星与地球的有趣相似之处就变得显而易见了。 1900 年代初期，美国天文学家珀西瓦尔·洛厄尔 (Percival Lowell) 首次提出火星是垂死文明的家园，该文明建造运河，将水从极地冰盖输送到赤道沿线的城市，穿过锈迹斑斑的沙漠。这一设想在 H. G. 威尔斯和埃德加赖斯巴勒斯的小说中得到普及，并抓住了大众的想象力，但最终证明是错误的。

维京一号在稀薄的大气层下方拍摄了火星 Hellas 撞击盆地边缘附近的陨石坑。（美国宇航局）

这幅火星球体及其运河由尤金·安东尼亚迪 (Eugene Antoniadi) 于 1894 年绘制，1956 年由洛厄尔·赫斯 (Lowell Hess) 重新绘制。
第一次飞越火星的航天器任务（水手 4 号，1965 年）发现了一片广阔、贫瘠的陨石坑荒地。火星大气层的密度仅为地球表面的 1%，并且由 95% 的二氧化碳（以及少量的氮气和氩气）组成。没有保护性的臭氧层，也没有磁场来保护地表免受致命的太阳辐射。它的表面很冷 - 平均温度为 -81° F（-63° C），最低温度为 -200° F（-140° C），最高温度为 68° F（20° C）在赤道的日子。

正如我们所知，这些条件使火星表面完全不适合生命存在。大量的陨石坑似乎表明火星在地质学上也是一个死亡世界。

来自维京轨道器图像的奥林匹斯山的合成图。（美国宇航局）

然而，随后的航天器探索表明，火星也许毕竟不是一个完全死去的地方。水手 9 号于 1971 年进入环绕地球的轨道并首次详细绘制了它的表面，揭示了巨大火山和广阔峡谷系统的存在。最高的火山奥林匹斯山（“奥林匹斯山”）高约 17 英里（27 公里）——大约是珠穆朗玛峰海拔的三倍！ - 基地横跨 340 英里（550 公里）。奥林匹斯山是太阳系中最大的火山和最高的山峰，以众神之家的名字命名。

水手谷中部；维京图像的合成。（美国宇航局）

火星上最深最长的峡谷系统是水手谷（“水手谷”），深达 4 英里（7 公里），宽达 120 英里（200 公里），长达 3000 英里（5000 公里）。它是太阳系中已知最大的裂缝系统，如果放在地球上，它将跨越整个美国。火星在过去显然是一些重大地质活动的发源地。

1976 年维京轨道飞行器拍摄的“火星人脸”（上图）在 2001 年火星全球勘探者号以更高分辨率（下图）看到时被证明是一种错觉。（美国宇航局）

截至 2012 年年中，从地球发射的 38 次试图到达火星的发射中，只有 19 次成功——失败率为 50%。这种高失败率被非正式地称为“火星诅咒”，有时被开玩笑地用来“解释”到达红色星球时反复出现的困难。

火星全球勘测者号看到的火星北极冰盖。（美国宇航局）

火星上的空气和水

更重要的是，航天器图像显示的表面特征似乎表明存在水：河道、干涸的河床和洪泛平原。这些特征看起来与地球上由液态水形成的特征惊人地相似。但在火星上，与地球不同，如今液态水几乎不存在。

目前，火星的大部分水都埋在地表以下或在极地冰盖中结成冰。火星的永久极冠由水冰构成；极地冰盖的季节性扩张和收缩实际上是由于大气中二氧化碳冰冻的存在——火星的极地地区永远不会变得温暖到足以让水融化。

火星全球勘测者号看到的火星北极冰盖。（美国宇航局）

第一个成功登陆火星的航天器（海盗 1 号，1976 年）在大气中检测到微量水蒸气。后来的任务，特别是 2004 年登陆火星的 NASA 勇气号和机遇号探测器，证实了火星表面曾经被大量液态水覆盖。机遇号火星车拍摄了被称为“蓝莓”的矿物构造，这些矿物构造只能在液态水存在的情况下形成。

机遇号发现的“蓝莓”表明该地点曾经被水淹没。（美国宇航局）

2008 年在火星北极地区附近着陆的火星凤凰号任务可能拍摄到了着陆器正下方的水冰沉积物。当着陆器的火箭炸开上覆的表土时，这些冰沉积物被发现。后来，照片显示似乎是液态水滴在着陆器的腿上短暂凝结，然后蒸发到稀薄干燥的大气中。

2015 年 9 月，美国宇航局证实，如今火星上存在液态水。火星勘测轨道飞行器 (MRO) 拍摄了随着时间的推移起伏不定的黑暗、狭窄的条纹。它们在温暖的季节变暗并流下坡，在凉爽的季节褪色。 MRO 上的光谱仪在斜坡上检测到水合盐，那里可以看到神秘的条纹，证实它们确实是由液态水形成的。

火星大气示意图

这颗寒冷、荒凉的行星的大气层非常稀薄，水会很快结冰或蒸发掉。古代火星上有河流和湖泊，而且大气层也更稠密、更温暖。但是那种气氛哪里去了？ 2015 年，美国宇航局的 MAVEN（火星大气层和挥发性演化）探测器显示，大部分火星大气层已被太阳风剥离——从太阳流出的带电原子粒子流。

这个问题在火星上比在地球上严重得多，因为火星与地球不同，它没有磁场来偏转这些粒子。火星目前每天损失 10 吨大气层，在太阳爆发期间增加 10 到 20 倍。

火星上的生命？

1970 年代的维京着陆器进行了检测生命存在的实验。他们在火星土壤中寻找有机化合物；他们将液体营养液引入土壤并寻找代谢生物释放的气体；他们追踪了用放射性碳 14 标记的营养液中代谢气体的释放。

维京一号于 1976 年从火星表面返回的第一张图像。（美国宇航局）

前两个实验未能检测到任何有机分子或代谢气体交换。但是第三个实验从土壤中检测到稳定的放射性气体流。不幸的是，随后的尝试未能产生相同的结果，今天的大多数人认为维京着陆器未能最终探测到生命。

2004 年勇气号在火星上的着陆点，火星车的轨道远离着陆器。（美国宇航局）

目前，普遍的观点是与火星土壤的化学反应解释了维京人的结果。一个足够强的氧化分子会与维京人加入的水发生反应，产生氧气和氢气，并与营养物质发生反应，产生二氧化碳。不断暴露在太阳紫外线下的火星土壤已经形成了一层薄薄的强氧化剂。 2008 年，凤凰号着陆器在火星土壤中检测到高氯酸盐（一种强氧化剂），支持对维京号探测结果的化学解释。但是就在最近的 2011 年，一些科学家争论生物学解释，即维京人确实找到了生命。最好的说法可能是维京人没有最终证明火星上存在生命，但也没有最终否定它。

来自火星的陨石降落在地球上，是由巨大的小行星撞击从红色星球的表面炸开的。众所周知，这些陨石保存在南极冰层中，起源于火星，因为它们多孔内部的气体成分与火星大气层完全匹配。

陨石 ALH84001 内部结构的电子显微镜图像。（美国宇航局）

1984 年在南极洲发现的一块特殊的火星陨石，称为 ALH84001，在 1996 年成为了巨大争议的主题。那一年，美国宇航局科学家宣布在 ALH84001 内部发现了氨基酸和其他有机化合物。他们还展示了陨石内部微观结构的图像，类似于（但远小于）地球上的化石细菌。这些发现最初是作为火星上确实出现过生命的确凿证据宣布的。但这一结论立即遭到其他科学家的质疑，他们认为证据也可以用非生物过程来解释。这种情况尚未解决，2009 年底，一些科学家重申，火星陨石仍然是古代火星上存在生命的有力证据。

陨石坑壁环绕着机遇号探测器的着陆点，位于火星的子午线平面内。（美国宇航局）

2003 年对火星的地球观测揭示了火星大气中的微量甲烷。甲烷在火星大气中以多种方式迅速被破坏，因此这一发现表明一些正在进行的过程正在释放这种气体。地球大气中的大部分甲烷是由生物体在消化营养时释放的。然而，其他纯粹的地质过程，如硫化作用和铁的氧化，也会释放甲烷。目前，我们没有足够的信息来判断生物学或地质学 - 或两者 - 是否在火星上产生甲烷。

好奇号以夏普山为背景拍摄了一张自画像。 (NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems)

NASA 的火星科学实验室 (MSL)，绰号“好奇号”，于 2012 年 8 月登陆火星，位于火星赤道附近的盖尔陨石坑内——该地点是从轨道照片中选出的，这些照片显示了过去宜居环境的证据。火星车在 2012 年 10 月至 2013 年 6 月期间对火星大气层进行了甲烷采样，但未检测到任何甲烷。几个月后，好奇号检测到气体突然爆发，加深了谜团。

在火星上的第一年，好奇号开始驶向夏普山，这是一座位于盖尔陨石坑中心、被沉积物覆盖的 3 英里高的山峰。研究人员证实，数百万年前，液态水一直存在于陨石坑底部。虽然好奇号尚未发现任何生命存在的证据，但由于来自 NASA 最雄心勃勃的火星任务的复杂数据尚未得到分析，因此预计会有更多结果。