月球 太陽系 小行星帶

火星(Mars)

火星是離太陽第四近的行星,為四顆類地行星之一。火星在視覺上呈現為橘紅色是由其地表所廣泛分佈的氧化鐵造成的。無論是質量還是體積,在太陽系的八大行星中,火星比水星略大,為第二小的行星。火星的直徑約為地球的一半,自轉軸傾角、自轉週期則與地球相當,但繞太陽公轉一週則需花費約兩倍於地球的時間。

1965 年水手 4 號首次飛掠火星之前,很多人猜測火星上有液態水,因為望遠鏡觀測到的明暗特徵猶如陸地和海洋,而一些細長條紋則被認為是灌溉用的運河。雖然之後證實細線並不存在,可能只是錯視,但 2015 9 月已經證實火星有間歇流動的液態水(液態鹽水)。

火星目前有四艘在軌運行的探測船,分別是火星奧德賽號、火星快車號和火星偵察軌道器以及剛抵達的 MAVEN 軌道器,數量是太陽系內除了地球以外最多的。

火星有兩個天然衛星:火衛一和火衛二,形狀不規則,可能是捕獲的小行星。在地球,火星肉眼可見,亮度可達 -2.9 ,只比金星、月球和太陽暗,但在大部分時間裡比木星暗。

火星直徑約為地球的一半

火星的地理特徵

火星直徑約是地球的一半,體積為 15% ,質量為 11% ,表面積相當於地球陸地面積,密度則比其他三顆類地行星還要小很多。以半徑、質量、表面重力來說,火星約介於地球和月球中間:火星半徑約為月球的兩倍、地球的一半,質量約為月球九倍、地球的九分之一,表面重力約為月球的 2.5 倍、地球的 2.5 分之一。

火星與太陽平均距離為 1.52AU ,公轉週期為 687 地球日, 1.88 地球年(以下稱年),或 668.6 火星日。平均火星日為 24 小時 39 35.244 秒,或 1.027491251 地球日。火星自轉軸傾角為 25.19 度,和地球的相近,因此也有四季,只是季節長度約為兩倍。

火星基本上是沙漠行星,地表沙丘、礫石遍佈,沒有穩定的液態水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷,沙塵懸浮其中,每年常有塵暴發生。與地球相比,地質活動不活躍。

由於火星比地球小,相對表面積與體積成反比而較大,因此火星核心的冷卻得比地球快,地質活動趨緩,磁場和板塊運動消逝,大氣變薄使液態水無法穩定存在。現今火星風成地形遍佈,如吹蝕、磨蝕等風蝕作用,和沙塵遇地形阻礙而填積、侵積等風積作用。

古瑟夫撞擊坑充滿沙石的地表

火星擁有大氣層,成分主要為二氧化碳,但氣壓小於地球表面的 1% ,相當於地球表面算起 35 公里高的氣壓,如此低的氣壓使聲音傳播的距離只有在地球上的 1.5% 。由於大氣層很薄,無法保留很多熱,使地表日夜溫差很大,某些地區地表溫度白天可達 28 ℃,夜晚可低至 -132 ℃,平均 -52 ℃。

大氣成分為 95% 的二氧化碳, 3% 的氮氣, 1.6% 氬氣,很少的氧氣、水氣等,亦充滿著很多懸浮塵埃,吸收藍光使天空成黃褐色。

2013 9 19 日,根據從好奇號得到的進一步測量數據, NASA 科學家報告,並沒有偵測到大氣甲烷( atmospheric methan )存在跡象,因此總結甲烷微生物活性概率很低,可能火星不存在生命。但是,很多微生物不會排出任何甲烷,仍舊可能在火星發現這些不會排出任何甲烷的微生物。

火星自轉軸有明顯傾斜,日照的年變化形成明顯的四季變化,而一季約為地球的兩倍長。雖然火星沒有地球般受海洋影響的複雜氣候,但仍有以下特殊之處:火星軌道離心率比地球大,造成日射量在一年當中變化更大,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;隨季節交替,二氧化碳和水氣會昇華和凝結而在兩極冠間遷移,驅動大氣環流;易發生的塵暴會將沙塵粒子捲入高空,沙塵粒子吸收日光與再輻射會使高層大氣增溫,但遮蔽天空的沙塵會使地表降溫;自轉軸傾角和軌道離心率的長期變化則造成了氣候的長期變遷。火星表面的平均溫度比地球低 30 度以上。

火星探路者所見的日落,夕陽周圍是藍白色的。

火星的衛星

火星有兩個天然衛 星 —— 火 衛一( Phobos )與火衛二( Deimos ),最長直徑各為 27 公里和 16 公里,形狀不規則並充滿撞擊坑,以近圓形的軌道於接近火星赤道面處公轉。和月球一樣,這兩顆衛星都被火星潮汐鎖定,因此他們總是以一面對着火星。火衛一的公轉週期比火星自轉更快,所以在火星上來看是西昇東落的,且只花了約 4 個小時;而火衛二的公轉周期只比火星自轉慢一些,東昇西落要花約 2.4 個火星日。因為火衛一離火星很近,火星的潮汐力會慢慢但穩定地減小它的軌道半徑,預計再過約 760 萬年,火衛一將因軌道低於 3620 公里,也就是火星的 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。

火衛一(左)和火衛二(右)大小比較(合成圖)。

火星的探測

在太陽系八大行星之中,火星也是除了金星以外,距離地球最近的行星。大約每隔 26 個月就會發生一次火星沖日,地球與火星的距離在沖日期間會達到極近值,通常只有不足 1 億公里,而在火星發生大衝時,這個距離甚至不足 6000 萬公里。火星沖日意味着這時可以使用較小花費將探測器送往火星,火星探測通常也會利用此天文現象來運作。

人類使用空間探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史。幾乎就在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空的時候,第一個火星探測器也開始了它的旅程。最早期的探測器幾乎都失敗了,而火星探測也就是在一次又一次的失敗中不斷前進。

1960 10 10 日,前蘇聯向火星發射了第一枚探測器火星 1A 號。緊接着就在四天以後,第二枚火星探測器升空。然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達。 1962 10 24 日,當火星又一次運行到合適的位置時,前蘇聯的第三枚火星探測器升空了,然而這次它也是僅僅到達了環繞地球的軌道而已。 1962 11 1 日,前蘇聯向火星發射了火星 1 號,這枚探測器成功進入了前往火星的軌道,並且計劃於 1963 6 19 日到達火星,然而當 1963 3 21 日它飛行到距離地球 1.06 億公里的距離時,卻與地面永遠失去了通信聯繫。三天以後,前蘇聯的又一枚探測器升空,這枚探測器同樣面臨着失敗的命運,僅僅到達環繞地球軌道,此後火箭未能再次成功點火,兩個月後墜入地球大氣層燒毀。

1965 年由水手 4 號所拍攝的火星,是歷史上首張火星近距離照片。

第一個飛掠火星的是美國太空總署的水手 4 號,於 1965 年飛掠。第一個環繞火星的則是水手 9 號,於 1971 年進入火星軌道,也成為第一個環繞其他行星的探測船。 1971 年蘇聯火星計畫火星 2 號的登陸器墜毀後數日,相同的火星 3 號的登陸器成功登陸火星,為第一個成功登陸火星的探測器,但登陸十幾秒後即失去聯繫。 1975 NASA 發射海盜號,包括兩組軌道衛星和登陸器。海盜 1 號和 2 號軌道衛星各運作了六年和三年。兩個登陸器皆於 1976 年成功登陸,傳送了第一張火星地景的彩色照片,而軌道衛星也繪製了很好的火星地圖,甚至到今天都還在使用。

海盜 1 號登陸器所攝地景

1996 12 7 日,美國的火星全球勘測者探測器發射升空,這枚探測器持續運作了 10 年,最後在 2006 11 5 日失去訊號聯絡,它是最成功的火星任務之一。

火星全球勘測者所拍攝的照片

火星探路者於 1997 7 4 日在火星表面克里斯平原和阿瑞斯峽谷的交界附近着陸。它攜帶的名為旅居者號的小型的 10.6 公斤輪式機器人的火星車,這是人類送往火星的第一部火星車。

2001 NASA 發射了 2001 火星奧德賽號,任務成功進行並延續到 2010 9 月。船上的伽瑪射線光譜儀於地表下一公尺內偵測到大量的氫,也就是大量的水分子。

2003 年歐洲太空總署發射了火星快車號,包括軌道衛星和登陸 器 —— 小獵 2 號,而小獵犬 2 號於 2004 2 月降落時失敗。 2004 年船上的行星傅立葉光譜儀於大氣中偵測到甲烷。 2006 6 ESA 宣布火星快車號發現極光。

2003 NASA 發射了兩台相同的火星探測漫 遊者 —— 精 神號( MER-A )和機會號( MER-B )。兩台皆於 2004 1 月成功登陸並工作超過預定時間。傳回的資料中最有價值的大概是兩地過去有水的確實證據。塵捲風和風暴偶爾清除了太陽能板上的沙塵,使他們得以超過預定任務時間而繼續工作。

2005 8 NASA 發射了火星勘察衛星,於 2006 3 月進入火星軌道展開為期 2 年的工作。它搭載更進步的通訊系統,頻寬比之前任務總和還寬,且傳回的資料遠多於過去任務的總和。擁有解析度高達 0.3 公尺的相機 —— HiRISE ,拍攝地表和天氣以尋找未來任務的適合登陸地點。 2008 2 19 日拍攝到北極冠邊緣的一系列雪崩影像。

2007 2 25 日,探測彗星的羅塞塔號近距離飛掠火星並拍照,有拍到很高的雲。

2009 2 17 日,黎明號飛掠火星以重力助推前往目的地灶神星和穀神星,並在接近火星時拍了照。

中俄合作的火衛一 - 土壤號與 2011 年升空,將會送回火衛一土壤樣本。而該探測器還將搭載一顆重 110 公斤的火星探測器,也就中國第一艘無人駕駛火星探測船螢火一號( YH-1 ),預計乘坐俄羅斯的聯盟號運載火箭升空,航程大約 10 個月。螢火一號主要研究火星的電離層及周圍空間環境,火星磁場等。該探測器發射到近地軌道後,因為與地面失去聯繫變軌失敗,探測器的碎片於莫斯科時間 2012 01 15 日墜落在太平洋海域。

好奇號火星車着陸後拍攝的首張火星地表圖片

繼鳳凰號之後, NASA 2011 年的發射的火星科學實驗室的 好奇號 Curiosity ),在 2012 8 6 05:31UTC 成功登陸火星的蓋爾撞擊坑。它和火星探測漫遊者一樣是火星車,但更大更快更進步。搭載雷射化學檢測儀,可在 13 公尺外分析岩石組成。比起之前其它火星任務,它攜帶了更多先進科學儀器。本次任務的總成本達到了 25 億美元,是歷來最貴的火星探測任務。

好奇號在火星上所拍攝的 夏普山” Mount Sharp )照片( 2015 9 9 日)

2004 年美國總統布希宣布載人火星任務為太空探索展望中的長期目標。 NASA 和洛克希德·馬丁已開始研究獵戶座太空船,計畫於 2020 年以前送人類到月球,作為人類登陸火星的準備。 2007 9 28 日, NASA 執行長聲明 NASA 預計於 2037 年以前送人類到火星。

進一步了解 火星 探測

火星殖民

火星是太陽系內,除地球外,最適宜人類居住的行星,所以火星是學術研究的焦點和外星殖民的候選地之一。另一個殖民候選地月球雖然距離地球較近,但是只有 16% 的重力,相對而言,火星 38% 的重力更加接近地球的重力。而且,火星具備稀薄的大氣層和豐富的水資源。上述因素令火星壓倒月球,成為最適宜殖民的星體。

人類在外星居住是科幻作品最為流行的設定之一。隨着科技進步,人類在地球上面的前景愈發灰暗,外星殖民已經是一個可以實現而且值得實現的設想。

 

火星經過經過地球化改造後的概念圖

進一步了解 火星殖民

火星的照片選集

哈伯太空望遠鏡於 2003 年所見的火星 
 

由太空所見的火星稀薄且充滿塵埃的紅色大氣層。左下方是阿爾及爾平原。 
 

 火星的參考影片

NASA 火星探測五十週年:航向火星

https://youtu.be/cHigMd-i_sQ

NASA's Curiosity Mars Rover at Namib Dune (360 view)
好奇號在火星納米比沙漠的 360 度景觀

https://youtu.be/ME_T4B1rxCg

How to Get to Mars

https://youtu.be/XRCIzZHpFtY

NASA | Targeting Mars

https://youtu.be/1Hm8b-L62y4

NASA - Moon, Mars, and Beyond

https://youtu.be/_9JxSrwlTA4

(資料結束)


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