火星（行星）：特征，成分，轨道，运动 - 阿特 - 2025

火星与水星，金星和地球一样，是离太阳第四最遥远的行星，也是太阳系中最后一个内部岩石行星。从史前时代起，火星就以其淡红色一直很容易被观察者着迷，因此它以罗马战争之神的名字命名。

其他古代文明也把这个星球与各自的战争之神或重大事件联系在一起。例如，古代的苏美尔人称其为内尔加尔（Nergal），在美索不达米亚文献中也将其称为死者审判之星。同样，巴比伦，埃及和中国的天文学家也留下了关于火星运动的细致记录。

图1.火星特写。资料来源：

就其本身而言，玛雅天文学家对此很感兴趣，它以非常精确的方式计算了其划定周期（相对于太阳返回天空相同点所花费的时间），并突出了行星的逆行周期。

1610年，伽利略是第一个通过望远镜观察火星的人。随着光学仪器的改进，人们发现了这些发现，这是因为事实与金星不同，没有厚厚的云层会妨碍可见度。

这就是他们发现Syrtis Major的黑点，表面上的特征点，白色的极地层，火星的著名通道以及行星色泽的周期性变化的原因，这使许多人想到了行星上可能存在生命。红色，至少来自植被。

但是，从探测器获得的信息表明，这颗行星是沙漠，大气稀薄。到目前为止，尚无火星生命的证据。

一般特征

火星很小，只有地球质量的十分之一，直径只有地球的一半。

它的旋转轴目前倾斜约25º（地球的旋转轴为23.6º）。这就是为什么它有季节，但与地球的持续时间不同的原因，因为它的轨道周期为1.88年。因此，火星季节的持续时间大约是陆地季节的两倍。

这种倾向并不总是相同的。一些关于轨道的数学模型表明，过去它可能在11º至49º之间发生很大变化，从而带来了气候的显着变化。

至于温度，它们的范围在-140ºC和21ºC之间。这有些极端，稀薄的气氛对此有所贡献。

火星上引人注目的极帽是CO ₂，大气层也是如此。大气压力很低，大约是地球的百分之一。

图2.通过哈勃太空望远镜拍摄的火星图像，显示了其中一个极帽。资料来源：NASA / ESA，J.Bell（美国康奈尔大学）和M.Wolff（太空科学研究院）/公共领域，通过Wikimedia Commons获得。

尽管CO ₂含量高，但火星上的温室效应远不及金星上。

由于荒漠​​，火星上经常发生沙尘暴。旅行者在那里找不到任何液态水或植被，只有岩石和沙子。

独特的微红色是由于大量的氧化铁所致，尽管火星上有水，但在极地盖下的地下发现了它。

有趣的是，尽管表面上有大量铁，但科学家称其内部稀少，因为火星的平均密度是岩石行星中最低的：仅为3,900 kg / m ³。

由于铁是宇宙中最丰富的重元素，因此低密度意味着铁的短缺，尤其是考虑到自身磁场的缺乏。

行星主要物理特征的摘要

-质量： 6.39 x 10 ²³公斤

-赤道半径： 3.4 x 10 ³ km

-形状：稍微扁平。

-到太阳的平均距离： 2.28亿公里。

- 轨道倾角：相对于黄道平面1.85º。

-温度： -63ºC，表面平均温度。

-重力： 3.7 m / s ²

-自身磁场：否

-大气：稀薄，大部分为CO ₂。

-密度： 3940公斤/米³

-卫星： 2

-戒指：没有。

火星与非洲尺寸比较

火星的卫星

与外行星不同，天然卫星在所谓的内行星上并不丰富，而外行星则按一打来编号。这颗红色的星球上有两个小卫星，分别称为Phobos和Deimos，由阿萨夫·霍尔（Asaph Hall）在1877年发现。

火星卫星的名字起源于希腊神话：火卫一-恐惧-是阿瑞斯和阿芙罗狄蒂的儿子，而魔鬼-恐怖-是他的双胞胎兄弟，他们一起陪伴他们的父亲参战。

图3. Deimos，火星的小型不规则卫星。发白的区域是一层重灰岩，一种类似于覆盖月球表面的矿物尘埃。资料来源：维基共享资源。NASA / JPL-caltech /亚利桑那大学/公共领域。

火星的卫星很小，比我们雄伟的月亮小得多。它们的不规则形状使人们怀疑它们是被行星引力捕获的小行星，如果人们认为火星非常靠近小行星带，则更是如此。

火卫一的平均直径只有28公里，而迪摩斯的平均直径更小：12公里。

两者都与火星同步旋转，这意味着绕行星旋转的周期等于绕其自身轴旋转的周期。这就是为什么他们总是对火星显示相同的面孔。

此外，火卫一的速度非常快，以至于它在火星日（它与地球日几乎一样）上会几次上升和下降。

两颗卫星的轨道非常靠近火星，而且不稳定。因此，据推测它们可能会在某些时候撞到地面，尤其是距离仅有9377公里的快速火卫一。

图4.火星周围火卫一和火卫二绕轨道运行的动画。资料来源：Giphy。

翻译运动

火星沿椭圆轨道绕太阳公转，椭圆轨道的周期大约为1.9地球年或687天。行星的所有轨道都遵循开普勒定律，因此是椭圆形的，尽管有些比其他轨道更圆。

火星不是这种情况，因为它的椭圆形比地球或金星的椭圆形更加突出。

这样，有时候火星离太阳很远，一个距离被称为“ apphelion”，而在另一些情况下，距离更近：近日点。这种情况也有助于火星具有相当宽的温度范围。

在遥远的过去，火星的轨道必须比现在更圆，但是与太阳系中其他天体的引力相互作用产生了变化。

图5.火星与地球之间的轨道比较。资料来源：维基共享资源。NASA / JPL-Caltech / MSSS /公共领域。

火星运动数据

以下数据简要描述了火星的运动：

-轨道平均半径： 2.28 x 10 ⁸公里

- 轨道倾角：1.85º

-偏心度： 0.093

- 平均轨道速度：24.1 km / s

- 转让期限： 687天。

- 轮换时间： 24小时37分钟。

- 太阳日：24小时39分钟。

何时以及如何观察火星

火星在夜空中很容易通过其红色辨认。它与星星的区别在于用肉眼观察时不会闪烁。

网络上有很多信息可以找到最佳时间观察火星，还有智能手机的应用程序可以指示火星的位置，无论在特定位置是否可见。

由于红色星球位于地球轨道之外，因此看到它的最佳时机是与太阳相对（见图6）。轨道在地球轨道外部的行星被称为高级行星，而不是劣等行星。

图6.上等行星的相交与对立。资料来源：Maran，S.傻瓜天文学。

水星和金星是较低的行星，比地球本身更靠近太阳，而较高的行星是所有其他行星：火星，木星，土星，天王星和海王星。

只有较高的行星具有与太阳的相对和合，而较低的行星具有两种合。

因此，当火星与从地球上看到的太阳相对时，意味着地球位于行星与太阳之王之间。因此，有可能在整个夜晚看到它的更大和更高的天空，而这种结合使观察变得不可能。这适用于所有更高的行星。

火星大约每26个月（2年50天）与太阳对峙。火星的最后一次反对是在2018年7月举行的; 因此，预计在2020年10月火星穿过双鱼座时会再次发生。

图7. 1995年至2003年火星的对立。行星的大小并不总是相同，也不总是对地球具有相同的面孔。来源：Naked Eye Planets-NASA / JPL /太阳系探索-ESA-Hubble。

火星通过望远镜

对望远镜来说，火星看起来像粉红色的盘。在良好的天气条件下以及根据设备的不同，您可以看到极帽和一些浅灰色的区域，其外观会根据火星季节而变化。

从哈勃太空望远镜拍摄的照片中可以看出，行星并不总是向地球显示相同的面孔，也不具有相同的大小（见图7）。差异是由于火星轨道的离心率造成的。

2003年，火星离地球非常近，相距5600万公里，而到2020年，预期距离为6200万公里。2003年的方法是6万年来最大的方法。

至于火星的卫星，它们太小，无法用肉眼或双筒望远镜看到。它需要一个尺寸合适的望远镜，并等待对立来分辨它们。

即便如此，行星的亮度仍然不允许看到它们，但是有些设备将火星隐藏在仪器的物镜中，从而增强了微小的卫星。

火星的旋转运动

火星的旋转运动在时间上与地球相似，并且威廉姆·赫歇尔（William Herschel）发现了轴的倾斜。这导致火星经历的时间就像地球一样，只会更长。

在火星的北半球，冬季较温和，发生在太阳处于近日点时，因此寒冷和较短。另一方面，夏季发生在头孢菌素中，温度较低。在南半球则相反。气候变化还有更多的极端。

然而，根据探测任务收集到的数据，二氧化碳的存在会导致火星温度略微但持续升高。

在炎热的天气中，积聚在极帽中的二氧化碳以间歇泉的形式蒸发并进入大气。但在相反的极点，二氧化碳会冻结并使盖变厚。

图8.动画显示了火星极地冰盖中的二氧化碳循环。资料来源：维基共享资源。

由于火星没有自己的磁场来保护它，因此一些二氧化碳会散射到太空中。火星奥德赛太空飞行任务记录了这一非同寻常的大气周期。

组成

关于火星成分的信息来自于探测探针进行的光谱分析，以及对成功到达地球的火星陨石的分析。

根据这些消息来源提供的信息，火星的主要元素是：

-地壳中氧和硅含量最高，铁，镁，钙，铝和钾含量最高。

-大气中的碳，氧和氮。

-检出程度较小的其他元素：钛，铬，硫，磷，锰，钠，氯和氢。

因此，在火星上发现的元素与地球上的元素相同，但比例不同。例如，在火星的地幔中（见下文有关内部结构的部分），铁，钾和磷的含量要比其地上的含量高得多。

就其本身而言，硫以比地球上更大的比例存在于火星的核和地壳中。

甲烷在火星上

甲烷是一种气体，通常是有机物分解的产物，这就是为什么它也被称为“沼泽气体”的原因。

它是一种温室气体，但科学家们正在火星上急切地寻找它，因为这很好地表明了沙漠星球上存在或仍然存在着生命。

科学家希望找到的生活类型并非只有绿色的人，而是细菌。已知某些陆地细菌会在其代谢过程中产生甲烷，而另一些则会消耗甲烷。

美国宇航局（NASA）在2019年的好奇号火星探测车在火星火山口大风中的甲烷读数出乎意料地高。

图9.好奇号，探索火星特征的机器人漫游车，由美国国家航空航天局于2012年推出。

但是，请不要一概而论，因为甲烷也可能是由水与岩石之间的化学反应（即纯粹的化学和地质过程）产生的。

而且，这些测量结果并未显示出甲烷的最新程度。然而，如果一切似乎都表明火星上有水，那也可能存在生命，一些科学家认为，永久冻土下仍然存在生命，永久冻土是在极地地区永远冻结的土壤层。

如果属实，可能会发现有微生物生活在那里，这就是为什么NA​​SA创造了好奇号漫游者的原因，好奇号漫游者的目标之一就是寻找生命。以及一种基于好奇心并可能在2020年推出的新型火星车，迄今被称为“火星2020”。

内部结构

火星，水星，金星和地球都是岩石行星。因此，它在以下方面具有差异化的结构：

- 核，半径约1,794公里，由铁，镍，硫和可能的氧组成。最外面的部分可能会部分熔化。

- 基于硅酸盐的地幔。

- 树皮，厚50至125公里，富含玄武岩和氧化铁。

图10.内行星与月球的比较截面。资料来源：Wikimedia Commons

地质学

流浪者是受地球控制的机器人车辆，因此有了有关火星地质的宝贵信息。

基本上有两个区域，分为两个步骤：

• 南部的高地，有许多古老的撞击坑。
• 北部光滑的平原，火山口很少。

由于火星有火山作用的证据，天文学家认为，熔岩流可能已经消除了北部火山口的证据，或者说遥远的地方有大量液态水。

大量的陨石坑被用作在火星上建立三个地质时期的标准：Noeic，Hesperian和Amazonian。

亚马逊时期是最近的时期，火山口较少，但火山活动强烈。但是，在Noeic中，可能存在着最古老，最广阔的北部海洋。

奥林匹斯山是迄今为止整个太阳系中已知的最大火山，正好位于火星上，靠近赤道。有证据表明，它是在大约一亿年前的亚马逊时期形成的。

除了火山口和火山，在火星上还有许多峡谷，沙丘，熔岩田和古老的干燥河道，液态水可能在古代流过。

图11.火星被沙尘暴吞没，来自火星侦察轨道飞行器的图像。由于土壤是沙质和沙漠，在火星上经常发生具有行星比例的沙尘暴。资料来源：NASA / JPL-Caltech / MSSS /公共领域。

火星任务

火星一直是众多太空任务的目标，其中一些注定要绕行星运行，而另一些则降落在其表面。多亏了他们，您才能获得大量的图像和数据来创建相当准确的图片。

水手4号

这是1964年由美国国家航空航天局（NASA）发射的水手任务的第四次探测。通过它，获得了行星表面的第一张照片。它还配备了磁力计和其他仪器，因此确定火星的磁场几乎不存在。

苏联火星

这是前苏联从1960年到1973年的一项计划，通过该计划，获得了火星大气层的记录，电离层的详细信息，有关重力的信息，磁场以及行星表面的许多图像。

维京人

NASA的维京计划由两个探测器组成：“维京一号”和“维京二号”旨在直接降落在地球上。它们于1975年启动，其任务是研究行星的地质和地球化学，以及拍摄表面和寻找生命迹象。

维京一号和维京二号都装有地震仪，但只有维京二号能够进行成功的测试，发现火星的地震活动远低于地球。

关于气象测试，发现火星的大气主要由二氧化碳组成。

探路者

它是由美国国家航空航天局（NASA）于1996年在“项目发现”框架内发射的。它拥有成本最低的自动驾驶汽车，并测试了此类汽车的新设计。他还设法对行星进行了许多地质研究并获得了它的图像。

火星全球测量师（MGS）

这是一颗卫星，从1997年到2006年在火星上运行。它装有激光测高仪，激光脉冲仪将光脉冲发送到行星，然后进行反射。有了它，就可以测量地理事故的高度，并与卫星摄像机拍摄的图像一起绘制出火星表面的详细地图。

这次任务还提供了证据，证明火星上有水，这些水藏在极地帽下。数据表明，过去有液态水流过地球。

该探测器没有发现能够产生类似于地球磁场的发电机效应的证据。

火星科学实验室

这种机器人太空探测器（俗称“好奇号”）于2011年发射升空，并于2012年8月到达火星表面。它是一种探险飞行器或漫游车，其任务是调查气候，地质条件和未来载人飞行任务的可能条件。

火星奥德赛

美国国家航空航天局（NASA）于2001年发射了该探测器，以绘制行星表面图并进行气候学研究。由于他们的数据，获得了上述二氧化碳循环的数据。火星奥德赛相机发送回南极帽的图像，显​​示出化合物蒸发的暗痕。

火星快车

它是2003年发射的欧洲航天局的任务，到目前为止，它是活跃的。它的目的是研究火星的气候，地质，结构，大气和地球化学，尤其是地球上过去和现在的水。

火星探索漫游者

NASA于2004年发射了漫游机器人“精神与机遇”，降落在怀疑或可能存在水的地方。原则上，这将是仅90天的任务，但是车辆的运行时间比预期的要长。

在全球沙尘暴期间，机会在2018年停止了广播，但最显着的结果之一是发现了更多证据表明火星上有水，并且该星球曾经拥有理想的生活条件。

火星侦察轨道器

该卫星于2005年发射，目前仍在地球轨道上运行。它的任务是研究火星上的水，以及它是否存在足够长的生命，以便在地球上生长。

参考文献

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