什麼是火星?火星是否有火?

火星 Mars

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海盜2號軌道船　(C) USGS / NASA
　　火星是從太陽數來第四顆行星，軌道半徑為22,794萬公里 (1.52AU)；直徑為6,794公里；質量是6.4219x1023公斤。
　　火星自史前時代就已為人所知，直至今日，它仍是科幻小說除了地球以外最常出現的太陽系場景。不過，美國天文學家羅威爾 (Lowell) 在二十世紀初「看」到的火星「運河」(canals)，曾引起多少世人無盡的遐想，如今己確定這真的純屬幻想，事實上並不存在。

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而在長達20年的中斷後，新一代的探測船火星探路者號 (Mars Pathfinder, MPF) 在1997年4月成功登陸火星 (右圖)。
　　火星的公轉軌道相當橢圓，這使得火星正對太陽處的溫度在一年之間有很大的變化：在近日點與遠日點之間可以相差到約30℃，這是影響火星氣候的主要因素之一。火星表面的平均溫度約為218K (-55℃)，但實際溫度從冬半球極區的140K (-133℃) 至夏半球向陽面的300K (27℃)，差異相當大。
　　火星雖然比地球小得多，但其表面與地球陸地可說是大致相同。

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　　除了地球，火星是類地行星中地形最多變的行星，以下是它的一些壯麗地景：
　　．奧林帕斯山 (Olympus Mons)：是太陽系中最巨大的山，從四周平原算起足足有24公里高，整個火山有500公里寬，單是環繞山邊的峭壁就有6公里高 (右圖)；
　　．Tharsis bulge：火星表面的巨大隆起，有4,000公里寬、10公里高；

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　　．水手峽谷 (Valles Marineris)：全長4,000公里、深2至7公里的超級大峽谷群 (右圖)；
　　．Hellas Planitia：位於南半球的撞擊坑，寬2,000公里、深6公里。

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　　火星表面很多地方都非常的古老且多坑洞；但也有很多較年輕的裂谷、山脊、丘陵及平原。

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　　火星南半球主要是古老而多坑洞的高地 (左圖)，有一點像是月球表面；北半球則主要是由相對年輕得多的、高度較低的、地質史更為複雜的平原所組成，而在二區之間似乎有一道高差達數公里的明顯邊界。這種地形上的區分及明顯的邊界究竟是基於什麼原因，目前為止並不清楚，有一種推測認為這是由於火星在形成隨後的一次超級大撞擊事件所造成。目前有一些科學家已開始質疑上述的明顯邊界到底是否存在，火星全球探勘者號 (Mars Global Surveyor, MGS) 或可解答這個議題。
　　有關火星內部的瞭解只能從其表面資料及整體數據經大量計算得知。火星很可能有一個半徑約1,700公里的核、一個密度較地球地函高的火成岩函及一個薄殼。火星比其它類地行星的密度都來得低，這可能是因為火星核除了鐵質之外，還含有較多的硫化物碎片所致，換句話說，火星核可能是由鐵及硫化鐵組成。
　　就像水星和月球一樣，火星目前似乎沒有活動中的板塊構造運動，在火星上找不到近代表面水平移動的證據，如地球上常見的褶皺山脈。由於沒有橫向的板塊移動，在火星殼以下的熱點 (hot-spots) 長期在地表固定停駐在一處，再加上火星的表面重力薄弱，這或許就是形成火星表面巨大火山及隆起的原因。雖然火星目前並無火山活動的跡象，但火星全球探勘者號發現的一些新證據指出，在火星地質史的早期可能曾有構造運動，這個發現已引發了科學家拿來與地球比較的高度與趣。

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　　火星表面許多地方有極清楚的侵蝕地形，包括大規模的洪氾痕跡及一些小河系 (右圖)，這說明了火星表面以前必定曾一度有流水，也許有大湖甚至海洋。但這樣的歲月似乎並不長久而且是很久以前的事了，據推估差不多是40億年前。至於著名的水手峽谷則並非由流水造成，它是在 Tharsis bulge 生成時，火星殼被拉張而形成。
　　火星過去曾經更像地球，它的二氧化碳多被固定在碳酸鹽岩石中，然而由於沒有板塊構造運動，火星並不能像地球一樣將這些二氧化碳釋放回大氣中，因而無法擁有足夠的溫室效應，使得火星就算是位於地球的位置，氣溫還是遠比地球寒冷得多。
　　火星有一層很薄的大氣，主要由僅餘的二氧化碳 (95.3%) 加上一點氮 (2.7%)、氬 (1.6%) 、微量的氧 (0.15%) 及水氣 (0.03%) 所組成。表面平均大氣壓大約只有7百帕，還不到地球的百分之一，在各地的氣壓變化很大，從最深的盆地底幾乎有9百帕，到奧林帕斯山頂大約只有1百帕不等。雖然只有這一點大氣，卻已經足以產生非常劇烈的強風及塵暴，甚至常常籠罩整顆行星達數月之久！火星大氣的溫室效應僅能使表面溫度提高5K，遠不及金星與地球。

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　　火星的兩極有永凍的冰冠，冰冠主要是由乾冰 (固態二氧化碳) 組成，呈現出由暗色塵沙與冰層交替的層狀結構。在北半球夏季，二氧化碳會自冰層全部昇華至大氣中，只剩下水冰層；但是南極冰冠有沒有水冰層就沒那麼清楚了，因為南極冰冠 (左圖) 的乾冰從未全部消失過。火星冰冠層狀結構的成因尚無定論，也許是因為火星赤道面與公轉軌道面交角的長期變化所致。此外，在較低緯區的表面之下說不定也有水冰的存在。海盜2號登陸艇的觀測數據顯示，火星冰帽大小的季節性變化使得大氣壓力變化幅度可達25%之高！

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　　由哈伯太空望遠鏡 (右圖) 的最新觀測結果得知，海盜任務期間的火星似乎並不是處於典型狀態，目前火星的大氣似乎比海盜號登陸艇觀測的時候更冷、更乾，進一步的訊息可參閱 STScI 網站。
　　海盜號登陸艇曾做過一些確定火星上是否有生命的實驗，雖然結果略顯含混，但如今大部分科學家都相信這些實驗結果並未顯示出任何火星有生命的證據。在這方面仍有一些爭議，樂觀者指出這些實驗僅僅分析了2個小樣本，而採樣地點也不是很恰當，實驗結果的代表性存疑。未來的火星任務將會進行更多的實驗分析。
　　另一方面，地球上有少量的隕石 (SNC 隕石) 咸信是來自於火星。1996年8月6日，David McKay 等人發表了第一件在火星隕石中鑑定出有機物的報告，作者進一步指出，這些有機物以及隕石中一些其它的礦物特徵，或許正是火星遠古時代曾有微生物的證據 (左圖？)。
　　多驚人的宣告！但須特別注意的是，雖然這個證據總是被強調，但其實尚並不足以支持外星生命確實存在的想法。自從這份報告發表以來，又有許多不同結論的相關研究發表。劃時代的宣告總需要劃時代的證據，在我們確信這個劃時代宣告屬實之前，恐怕還有許多研究要進行。
　　火星沒有全球性的磁場，但在許多區域具有微弱的磁場，這是火星全球探勘者號在剛進入火星軌道數天內就意外發現的，這些區域磁場可能是已不復存在的全球磁場所殘留下來的。這個發現對於火星內部結構以及大氣演化史的相關研究也許會提供很重要的幫助，而後者又可進一步用以研究火星遠古生命存在的可能性。
　　在晚上，火星是很容易用肉眼觀測的，視地球與其相對位置的不同，它的亮度變化很大。有些網站可以顯示火星及其它行星在天空的現在位置；更多的細節及圖表則可以在一些星圖軟體如Starry Night中找到。
火星的衛星
　　火星有兩顆小衛星，它們的軌道都很接近火星。兩顆衛星都是在1877年12月間由美國天文學家Hall發現。它們的體積都很小，火衛二甚至是太陽系最小的衛星。
距中心距 半徑 質量
衛星名稱 (千km) (km) (kg) 發現者 日期
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火衛一 Phobos 9 11 1.08e16 Hall 1877
火衛二 Deimos 23 6 1.80e15 Hall 1877

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1971年水手9號 (Mariner 9)、1977年海盜1號及1988年火衛一號 (Phobos) 均曾傳回火衛一的影像；而僅有海盜1號傳回過火衛二 (戴莫斯) 的影像 (右圖)。
　　火衛一的公轉週期遠低於同步狀態，剛好與月球的情形相反，所以它的軌道會愈來愈低，大約5千萬年後它就會撞毀於火星表面，或是更有可能被分裂成火星環。
　　火衛一和火衛二的組成可能是富含碳的岩石，與C型小行星類似，然而它們的密度太低，因而不可能純由岩石組成，可能摻雜有水冰。一般公認它們都是捕捉自小行星，甚至有些人認為它們是來自外太陽系而非小行星帶。它們可能是受到木星重力擾動而導致被火星捕捉的。

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　　火星的這兩顆衛星都滿布坑洞。火衛一有一個巨大的 Stickney 撞擊坑，當初這場撞擊必定帶來很大的震憾，火衛一表面上的溝紋說不定也與此有關。火星全球探勘者號新近發現火衛一表面覆蓋了一層約1公尺厚的細塵，與月球表面的風化層相近。
　　前蘇聯探測船火衛一2號發現火衛一表面有微弱但穩定發散的氣體，可惜在還沒確定其任何性質前，這艘探測船就故障了。火衛一2號曾傳回少許影像 (右圖)。
　　未來，火衛一和火衛二可能會被當作研究火星的「太空站」或是往返火星的中繼站，尤其是萬一它們真的含有水冰的話就更有價值了。