神秘的火星

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火星帶給人的印象是神秘的, 它是太陽系除地球外七大行星中最大機會有生命存在的一個, 甚至有人相信有火星人的存在。

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可是美國太空總署NASA於去年9月發布消息，天文迷可能要失望了，因為根據好奇號偵測的數據顯示，火星上只有極其微量的甲烷，換句話說，火星上的生命跡象，極有可能是微乎其微。

已經在火星上探測了8個月的好奇號，去年傳回了數據顯示，火星大氣層的甲烷濃度，最高不會超過1.3ppb，這樣的量，大幅降低了火星土壤蘊含生命微生物、或有機化石物質的可能性。

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無論有無火星人的存在, 今天要為大家介紹火星這個神秘的行星。

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火星（英語、拉丁語：Mars），是離太陽第四近的行星，為四顆類地行星之一。在英語中火星被稱為瑪爾斯（Mars，意思是戰神），古漢語中則因為它熒熒如火，位置、亮度時常變動讓人無法捉摸而稱之為熒惑。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。英文裡前綴areo-即為火星。

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平均半徑        3389.5 km(0.532 倍於地球)
赤道半徑        3396.2 km(0.532 倍於地球)
極半徑        3376.2 km(0.531 倍於地球)
表面積       1.441×108 km² (144,798,465 km²)(0.282 倍於地球)
體積                1.631 8×1011 km³(0.151 倍於地球)
質量                6.418 5×1023 kg(0.107 倍於地球)
平均密度        3.94 g/cm³
表面重力   3.693 m/s²(0.377g)
逃逸速度        5.02 km/s
恆星自轉周期        1.026 地球日(24.622 9 h)
赤道自轉速度        868.22 km/h
轉軸傾角        25.19°
北極赤經        21 h 10 min 44 s(317.681 43°)
北極赤緯        52.886 50°
反照率        0.15
表面溫度        最低                 平均                 最高
                   −87 °C           −63 °C           −5 °C
視星等        最大：-2.91

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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。[14] 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。

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自轉與公轉


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分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。由於火星軌道離心率大，為0.093（地球只有0.017），使各季節長度不一致，又因遠日點接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各長約40天。2009年10月26日為北半球春分，2010年5月13日為夏至，目前北半球處春季。


火星與地球的軌道與季節長度比較。

火星軌道和地球的一樣，受太陽系其他天體影響而不斷變動。軌道離心率有兩個變化週期，分別是9萬6千年和2.1百萬年，於0.002至0.12間變化；而地球的是十萬年和41.3萬年等，於0.005至0.058間變化（見米蘭科維奇循環）。目前火星與地球最短距離正慢慢減小。至於自轉軸傾角，火星目前是25.19度，但可由13度至40度間變化，週期一千多萬年，不像地球的穩定處於22.1和24.5度間，是因為火星沒有如月球般的巨大衞星來維持自轉軸。也因沒有大衞星的潮汐作用，火星自轉週期變化小，不像地球的會被慢慢拉長，因此現今兩行星的自轉週期相近只是暫時現象。

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地質


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。



古瑟夫撞擊坑充滿沙石的地表



Endurance撞擊坑中的沙丘

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表面環境

由於科幻小說以及電影情節的影響，使得人類一直深深的認為，火星是人類第二顆可以掌握的行星，而在火星上，可能有火星人的存在。

在某些方面上，這可能是正確的，因為火星的表面環境是八大行星中最接近地球的. 雖然火星的大小與地球不相稱，但是火星在自轉軸偏向(25.19度，跟地球的23.44度相近)，自轉速度（1.026個地球日），以及表面溫度（-87-5度，與地球的-50-50接近），都與地球十分類似。因此火星上也有與地球相似的四季之分，一天的時間與地球相似，大家不需要改變生活作息習慣，而溫度看起來也較金星與水星宜人的多。人們對於未來對火星的研究充滿興趣跟期待。




火星地表

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地理

火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷。南北半球的地形有着強烈的對比：北方是被熔岩填平的低原，南方則是充滿撞擊坑的古老高地，而兩者之間以明顯的斜坡分隔；火山地形穿插其中，眾多峽谷分佈各地，南北極有以水冰與乾冰組成的極冠，而風成沙丘廣布整個星球。隨着衞星拍攝的越來越多，更發現很多耐人尋味的地形景觀。



火星地形圖，中央為東經180度。低到高順序為藍、綠、黃、紅到最高的白。

20世紀早期地面以無線電波測量火星地形。1976年海盜號進行的地形測量，發現了峽谷和南北半球的巨大差異，而衍生出北方平原本是海洋的假說。火星全球勘測者自1999年起以雷射進行更精確的地形測量，得出目前使用的全球地形圖，以火星大地水準面（Areoid）為基準，最高點在奧林帕斯山，高21,229公尺；最低點在希臘平原，低於基準8,200公尺。現在很多探測器如火星勘察衞星、火星快車號和火星探測漫遊者運用航照圖的地形判別方法，以視差法來測量區域地形，並製成高解像度立體照片。

火星的經度坐標採用東經0至360度，不是地球的東西經各180度。


火星的兩面

來自火星奧德賽號上熱輻射成像系統（THEMIS）的影像顯示阿爾西亞山北坡有七個可能的深洞，照片中光線無法抵達底部，推測底部可能更深、更寬，可能免受微隕星、紫外線、太陽閃焰和其他高能粒子的侵害，可能是未來尋找液態水或生命痕跡的可行地點。但後來火星勘察衞星的更高解像度HiRISE影像部分推翻了之前猜測，認為只是光線角度造成深不見底的樣子。

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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 Platera）。




在西半球的塔爾西斯高原高約14公里，伴隨著盛行火山作用的遺跡，其中五座大火山皆為盾狀火山，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）。


奧林匹斯火山

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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：水手谷（Valles Marineris）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。

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火星曾經有水

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火星不像水星，隕石坑遍布，火星多了更多樣的地形，有高山、平原、峽谷，但由於重力較小等因素，火星亦有很不同的地方。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。


由以往對於火星的觀察，讓人印象最深刻的，是可以直接由中型望遠鏡看到火星兩極的白色極區，以及紅色的表面，這意味著火星的大氣並不濃厚，不像金星一樣遮蓋了整個表面。火星距離地球的距離，僅次於金星，因此成為不錯的研究題材，利用哈伯望遠鏡做觀測，即可拍到火星表面的影像。





火星坑

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地質年代

科學家對於火星地表年齡的判斷只能靠探測照片推定而非實地考察，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：一地隕石坑密布、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。

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大氣

十八世紀自地面望遠鏡觀察到雲，顯示火星擁有大氣層。自地面的光譜測量發現大氣主要為二氧化碳。1960年代水手4號、6號和7號亦證實此結果，但測出平均地表氣壓只有6百帕，小於地球表面氣壓的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%。隨着二氧化碳與水氣量的季節變化，氣壓變化可達20%。由於火星比地球離太陽遠，日射量較少，表面溫度應較低，計算值約210K，但實際觀測地表平均約240K，則是因為大量的二氧化碳所造成的溫室效應。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℃。


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。

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。2003年火星大衝時地面望遠鏡在大氣中發現了甲烷；2004年3月，火星奧德賽號確認了這一發現。由於甲烷易被紫外線分解，存在甲烷表示現在或者最近幾百年內在火星上存在製造甲烷的來源，火山作用、地質作用、彗星或小行星撞擊甚至生物來源如甲烷古菌等都有可能。

2013年9月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，測量值為0.18±0.67 ppbv，對應於1.3 ppbv上限（95%置信限），因此總結甲烷微生物活性機率很低，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。


火星探路者所見的日落，夕陽周圍是藍白色的。

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水文

火星地表遍佈著流水的遺跡，有些是洪水刻畫而成，有些則是降雨或地下水流動而形成，但多半年代久遠。沖蝕溝（gullies）則是另一類規模較小的地形，但形成年代十分年輕，常分佈於撞擊坑壁，型態多樣。關於成因有兩派說法，一派認為是由流動的水造成，另一方則認為是凹處累積的乾冰促使了鬆軟物質滑動。

星南北極有明顯的極冠，曾被認為是由乾冰組成，但實際上絕大部分為水冰，只有表面一層為乾冰。這層乾冰在北極約1公尺厚，在南極則約8公尺厚，是冬季時凝華而成，到夏季則再度昇華進入大氣，不過南極的乾冰並不會完全昇華。夏季仍存在的部分稱為永久極冠，而整體構造稱做極地層狀沉積（Polar Layered Deposits），和地球南極洲與格陵蘭冰層一樣為一層層的沉積構造。北極冠寬達1,100公里，厚達2公里，體積82.1萬立方公里；南極冠寬達1,400公里，最厚達3.7公里，體積約1.6百萬立方公里。兩極冰冠皆有獨特的螺旋狀凹谷，推論主要是由光照與夏季接近昇華點的溫度使溝槽兩側水冰發生差異融解和凝結而逐漸形成的。


北極永久極冠

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2011年由火星勘察衞星的淺地層雷達發現南極冠有部分原本認為是水冰的地層其實是乾冰，所含二氧化碳量相當於大氣含量的80%，這比以往認為的要多很多。根據此的模擬結果，十萬年一週期的氣候變遷中藉由乾冰昇華、凝結，大氣總質量的變化幅度會達數倍。由這些乾冰沉積上方地表的下陷與裂隙判斷，乾冰正在慢慢昇華。

自海盜號即發現，火星北半球中緯度有幾處峽谷底含有條紋流動狀的地表特徵，但不確定是富含冰的山崩、含冰土的流動或是塵礫覆蓋的冰河。但根據更新任務的資料與比對地球的相關地形，支持這些是冰河，且推測是自轉軸傾角較大時的氣候狀態下所累積的。


由火星奧德賽號X射線光譜儀的中子偵測器得知，自極區延伸至緯度約60°的地方表層一公尺的土壤含冰量超過60%，推論有更大量的水凍在厚厚的地下冰層（cryosphere）。

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。

對於於火星上有冰存在的直接證據在2008年6月20日被鳳凰號發現，鳳凰號在火星上挖掘發現了八粒白色的物體，當時研究人員揣測這些物體不是鹽（在火星有發現鹽礦）就是冰，而四天後這些白粒就憑空消失，因此這些白粒一定昇華了，鹽不會有這種現象。2008年7月31日，美國航空航天局科學家宣布，鳳凰號在火星上加熱土壤樣本時鑒別出有水蒸氣產生，從而最終確認火星上有水存在。

2013年9月26日，美國航空航天局科學家報告，火星探測車好奇號發現火星土壤含有豐富水分，大約為1.5至 3重量百分比，顯示火星有足夠的水資源供給未來移民使用。


一處疑似冰河的地形