第四节 火星
第四节 火星
近些年，火星较之其他行星引起了更多人的兴趣。火星与地球的相似性，对于火星上运河、海洋、气候、降雪等的猜测，都使我们对其存在生命的可能性产生了兴趣。或许会让那些希望相邻的这个星球上有高级生命存在的证据的读者感到失望，不过我仍将努力说明对火星掌握的实际情况。
首先从这个星球的详细资料讲起，这将有助于我们认识这个星球。火星的公转周期是687天，差43天2年。如果其公转周期恰好是2年，那么火星公转一圈地球将公转两圈，这颗行星的冲也将规律地每两年出现一次。可是火星运行得比这个时间快一点，地球用一至两个月的时间才能赶上它，因此冲发生的间隔时间是2年零1个月至2年零2个月。多出的这1~2个月在八次冲之后补足为一年；于是，大约每隔17年火星的冲将再次于同一时间和轨道上的同一个位置附近发生。在此期间，地球公转十七圈，火星公转九圈。
冲发生的时间间隔有一个月左右的误差，原因在于火星轨道的偏心率比较大，火星轨道的偏心率在大行星中仅次于水星，其数值为0.093，接近1/10。据此，当火星在近日点时，其到太阳的距离比二者的平均距离近几乎1/10；当其在远日点时，二者之间的距离比平均距离远将近1/10。火星在冲位时与地球之间的距离也围绕这个数值发生变化，换算成英里来看距离的变化幅度是很大的。若冲发生时火星在近日点附近，火星到地球的距离大约是3 500万英里；若火星在远日点附近，则火星到地球的距离大约是6 000万英里。这种情况导致9月份火星在近日点发生冲时其亮度是2、3月份在远日点发生冲时的3倍。
当火星接近近日点时，因其璀璨夺目、泛着淡红色的光彩而与众不同，很容易辨认。奇怪的是，在望远镜里看到的火星没有用肉眼看起来那么红。
火星表面及自转
伟大的惠更斯在1650~1700年享有盛誉，他第一个用望远镜看到火星表面呈现出复杂多样的特征，并且将火星的表面绘制成图。他所描绘出的特征至今仍能够明确辨认出来。观察这些特征可以很容易看出火星的自转周期（24小时37分）比地球上的一日略长。
这个自转周期是所有行星中除地球以外算得最准确的。200年来火星一直以这个精确的速率自转，没有理由怀疑这个周期将会明显地发生变化。火星的自转周期与地球上一天的时间如此接近，仅仅超出37分钟，从而导致火星在夜晚同一小时内呈现给地球的几乎是同一个面。然而，由于火星的自转周期比地球的自转周期略长，因而每晚火星都会较前一晚落后一点点，于是40天以后，我们就会看遍火星展现给地球的每一个部分。
目前已知的火星的情况都可以体现在火星的地图上，包括其表面的明暗区域，以及平时常见的覆盖在其两极的白色冠状物。当火星极点向地球倾斜时也向太阳倾斜，这个冠状物就会逐渐变小，当极点远离太阳时，它又会再次增大。后一种情形在地球上看不到，只是发现它再次出现在视野里时比原先变大了，以此做出推断。这些冠状物自然被猜测是雪或冰，在火星的冬季凝结在极点周围，在火星的夏季部分或全部融化。
火星的“运河”
1887年，夏帕雷利开始对火星进行观测，这次观测非常有名，因为他宣布发现了火星上有运河。这些所谓的运河是火星上的条纹，比火星表面稍微暗点儿。因为不当翻译引起的误解几乎没有比这一次更严重的了。夏帕雷利把这些条纹叫作canale，这个意大利语单词意为水道。他之所以这样命名是因为当时推测火星表面的暗区是海洋，于是推断连接海洋的条纹也是水，所以叫作水道。然而翻译成英文cancel（运河），却被广泛理解为这些条纹是火星上的生物所为，就像地球上的运河是人为的一样。
至今，这些水道在观测者和权威天文学家之间仍然存有争议，原因是这些条纹在原本均匀的表面上并不清晰。火星上到处都是各种各样的阴影——呈或明或暗的片状，非常微弱而且模糊不清——以至于通常难以说明准确的形状和轮廓，而且互相穿插看不出层次，极度难以辨认。此外在不同的光照和地球大气层不同的状态下呈现不同的外观，都导致对这些水道的描绘差异很大。亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛威尔天文台的观测者绘制的图就是一个极端的例子。在这些图中，水道被画成了很细的暗线，数量众多形成网络覆盖了火星表面的大部分。在夏帕雷利绘制的图中，这些水道呈宽阔的带状，很模糊，完全不像洛威尔天文台的图那样清晰。洛威尔天文台图中的水道比夏帕雷利看到的水道多很多，由此我们或许可以推测夏帕雷利所标注的水道在洛威尔天文台的图中都能找到。然而事实远非如此，两幅图仅仅是大体相似。洛威尔天文台的图中最奇特之处是水道相互交叉的点是用深色的圆点标注的，就像圆形的湖；夏帕雷利的图中没有这样的点。
火星上最清晰可辨的特征之一是一个巨大的、深色的、近似圆形的斑点，周围是白色的，叫作太阳湖（Solis Lacus）。所有的观测者对此意见一致。他们也基本上认同暗淡模糊的条纹或者水道是从这个湖延伸出来的。然而继续探究则发现观测者对于水道的数量意见不一，对于周围的地貌特征也没有完全一致的意见。
火星上的另一个明显特征是一块黑斑，呈三角形，叫作大席尔蒂斯（Syrtis major），惠更斯是第一个绘制它的人。(https://www.daowen.com)
火星上存在“运河”已经是不争的事实。很多天文学家都观测过它们，还拍下了精彩的照片。概括来说，“运河”比早期的观测者看到的要宽一些，粗糙一些，显得更不规则。研究者认为它们是自然产生的，而非人工开凿的。曾经的火星上暴发过洪水，这些遗留的“运河”显示洪水侵蚀了很多地方。过去，火星地表一定是有水的，可能还存在巨大的湖泊或海洋。但是，它们存在的时间不长，据推测，应该存在于40亿年前。
图30 火星上的水道
火星表面因此被塑造出各种奇妙的地貌。除了地球，火星是最适合用望远镜观察的行星。火星整体呈现红色，会令人想起大片荒漠。在红色之上，我们可以看到蓝色、绿色的大色块，以前的人把它们叫作“海”，这种命名就保留至今，这种情况和月球上的“海”类似，现在大家都认为“海”里并没有水。一些窄窄的暗纹连接在海之间，就是所谓的“运河”，这个名称也被保留下来。
我们到目前为止所讲述的特征都不在火星的两极范围内。就算白色的冠状物融化殆尽，这两个区域的观测角度也太倾斜，因而很难在里面发现任何清晰的特征。覆盖在这两个地方的冠状物是否真的是雪，火星是否真的会在冬季下雪，并且积雪在太阳再次照耀两极区域时融化，这些都是很有意思的问题。要想说明这些问题，我们必须了解一些火星大气层的研究成果。
火星的四季
所有新近观测者都一致认同，即使火星有大气层，也比地球大气层稀薄，并且水蒸气含量极低甚至没有。望远镜和光谱仪的观测结果都得出了这个结论。经过反复地仔细观测发现，如果能够发现火星上的特征，那么这些特征几乎不会因为火星大气层中所谓的水蒸气而变得模糊。降雪是由于水汽在大气中发生凝结，火星的极地有那么多雪非常引人注意。
另一个需要考虑的因素是，太阳光线融化积雪的力量必然受到其所含的热量的限制。在火星的两极区域，光线照射的倾斜角度很大，即使光线传导的所有热量都被吸收了，也只有几英尺的积雪能够在夏天里融化。然而还有很大比例的热量必定被白雪反射向寒冷的宇宙空间，这种辐射很强烈，会使积雪依然保持很低的温度。由此可见，两极区域附近能够落下和融化的积雪必定很少，或许只有几英寸厚。
即使降雪稀少也足以形成白色的表面，因此并不能证明冠状物不是积雪。不过这种外观似乎更可能是水蒸气凝结在极其寒冷的地表造成的，类似于霜，也就是露水结成的冰。对我来说，这似乎是对两极地区冠状物最合理的解释。也有观点认为冠状物也许是碳酸凝结形成的。对此我们只能说，这个理论不是不可能，但是似乎缺乏可能性。
读者会谅解我在这一节没有讲任何有关火星上存在生命的可能性。其实关于这个问题读者和我知道的一样多，那就是火星上根本不存在生命。
火星的卫星
1877年，阿萨夫·霍尔（Asaph Hall）教授在海军天文台发现了火星的两颗卫星，这个发现震惊了全世界。这两颗卫星太小了，所以之前一直没被发现。没有想到卫星可能会像这两颗这么小，所以从未有人花费精力利用大型望远镜仔细寻找。一经找到，却发现这两颗卫星并不难找。当然，即便这两颗卫星很容易找到，能否看到它们依然取决于火星在其轨道上的位置和相对于地球的位置。只有火星接近冲时才能看见这两颗卫星。每次冲时可以观测到这两颗行星的时间长度不等，根据当时的情况可能是3个月、4个月，甚至是6个月。在接近近日点的冲，可以用口径小于12英寸的望远镜看到它们；究竟可以用多小的望远镜取决于观测者的技术，以及防止火星光线刺眼所做的防护。一般望远镜的口径是12~18英寸。观测难度完全是火星的光芒造成的，如果这个问题能够得到解决，无疑可以用很小的望远镜看到它们，由于受到火星光芒的影响，外面那颗卫星比里面那颗更易于观测，尽管里面那颗或许是二者之中更亮的。
霍尔教授给外面那颗卫星命名为戴莫斯[1]，给里面一颗命名为弗伯斯[2]，在希腊神话中它们是战神马尔斯的侍从。弗伯斯的显著特点是，其围绕火星旋转一圈的时间是7小时39分钟，是太阳系中已知公转周期最短的。这个时间比火星自转周期的1/3短一点。鉴于此，从火星上来看，离火星最近的月亮西升东落。
戴莫斯的公转周期是30小时18分。这个快速运动的结果是，其出没之间大约会过去2天。
弗伯斯到火星表面的距离只有3 700英里。如果火星居民有望远镜的话，它一定是一个很有趣的观测对象。
就大小而言，或许除了爱神星（Eros）和部分微弱的小行星，这两颗卫星是太阳系中我们能够看到的最小的天体。根据光度来计算，戴莫斯的直径大概是5英里，弗伯斯的直径大概是10英里。据此，我们所看到的它们的大小和从纽约用望远镜看波士顿上空的一个小苹果的大小差不多。
卫星对于天文学家了解火星准确的质量具有极大的帮助，具体我们将在随后关于行星重量的计算方法一节中讲解。
[1]Deimos，中文名为火卫二。——译者注
[2]Phobos，中文名为火卫一。——译者注
