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第四章 火星

近几年来各个国家在火星上集中了无比空前的兴趣。2004年,美国“勇气号”和“机遇号”火星车登陆火星,这是人类航天史开始以来,第一次有两架火星车同时在火星表面行驶。2012年8月6日,美国“好奇号”火星车成功登陆火星,着重研究火星上是否有适合生命生存的环境,彰显了火星探测的多种技术进步。人们对火星的兴趣主要来源于它跟我们地球的巨大相似。它的大气、气候以及其他可注意的特点都使我们关心在那上面可能存在的原始生命。现在我来尽力说一些关于这方面我们实际已有的知识——从这些,我们仅仅能判定火星表面目前没有生命存在。至于其地表和极冠中是否可能有原始的细菌,则需要等待进一步对火星的深入考察——但是可以确定的是,和曾经人们所猜测的不同,火星上是没有智慧生物的。

我们先说一些琐细的特点,这可以帮助我们认识这颗行星。它的公转周期是687日或者说差43日两年。如果这周期恰好是两年,火星就要在地球公转两次的时间作一次公转,而我们也会十分规律地隔两年见一次火星的冲了。但因为它走得比这快些,地球就需要一两个月的时光去追上它,所以,冲就要隔两年零一两个月一次了。这多出的一两个月在8次冲以后集成一年,因此,过了15年或17年以后,火星的冲又回到同一天,而在轨道中所占的位置也差不多还原了。在这期间内地球已公转15次或17次,而火星只有八九次。

这两次冲相隔时间一月左右的差异是因为其轨道的极大的偏心率。在这一方面除了水星外没有一颗大行星能比得上。它的值是0.093,或说将近1/10。因此,当它在近日点时差不多离太阳比平均距离要近1/10,而在远日点时也差不多要远1/10。它在冲位时对地球的距离也有很多的不同,因此在近日点和远日点的冲就有更大的不同了。如果冲时火星位置在近日点附近,火星与地球间距离小得只有5 600万千米;但在远日点时却比9 600万千米还要多。结果便是,在有利观测的冲位时(这只能在八九月中)要比在不利的冲位时(在二三月中)更亮3倍以上。

当火星接近冲位时是很易认出的,一则因它的光特强,一则因它的光显红色,这是跟大多数亮星很不同的。在望远镜中看它倒并没有肉眼看它有那么动人的红光,这是很奇怪的。

火星的表面及自转

惠更斯(Huygens)约在1659年第一个从望远镜中认出火星表面的变化的特性,并且为它画了一幅画。他所画出的特点到今日还能被认出并且被认为是正确的。仔细观察这些细节可以使人们很容易看出这颗行星绕轴自转一周约需比我们的一天略长一点(24小时37分)。

图37 惠更斯笔下的火星

这自转周期比任何其他行星(地球除外)的都算得更为精确。300多年来火星都恪守这一周期自转,我们也还没有理由假定将来会有可见的变动。这时间跟我们的一日这样相近,其相差又只是多出37分钟,结果便是在连续的夜里的同一小时内,火星差不多是以同一面对着地球的。可是毕竟因为多出了一点,每天夜间要见它较前落后一点,因此在40日后我们已见到它全面各部对着地球了。

所有已知的火星表面情形都可在一幅图中表明——其明暗区域以及平常总可看见的包着它两极的白冠。当一极偏向我们因此也偏向太阳时,这白冠就逐渐减小,远离太阳时又加大。加大的情形是地上看不见的,但当它再现时却可看出比原先大了。火星北极冠直径1 000千米至2 000千米,厚度为4千米至6千米,扩展至北纬75度附近。各种已经发射的火星探测器发回的图像资料表明:火星上季节性的极冠是由大气中的二氧化碳凝结而成,而长年存在的极冠主要是由水冷凝而成,温度在零下70摄氏度到零下139摄氏度之间,由于二氧化碳随温度的变化而不断地气化和凝结,使得极冠的大小不断变化。极冠的大小随火星季节的变化而变化,在火星的冬季包围其极区,而夏季就全部或部分消融。

火星的运河

在1877年斯克亚巴列里发现了所谓“运河”。这是一些在这颗行星上纵横参差、比表面一般情形略微黑暗一点的条纹。在人类翻译史上,由于翻译失误而引起的误会恐怕以这次最甚了。斯克亚巴列里把这些条纹叫做canale,这个单词在意大利文中的意思是水道——他这样称呼它们是因为当时认为火星表面上的黑暗区域都是海洋,这些连结海洋的路线就假定都有水,因而定名为水道。可是译成英文中的cancel之后,就有了“运河”的意思。这一小小的词义上的变动,让所有使用英语的人都以为这些就是火星居民的功绩——正像地上的运河是人类的工作成绩一样了。

关于这些“水道”,起初在天文学权威之间也有一些不同的意见。这是因为在地球上看起来,它们并不是平均一致的表面上的清晰的条纹。火星上各处都有些明暗的不同——又都那么微弱而不清楚,从这一块到那一块之间又只有几乎不可察觉的亮度差异,因此大都很难给它们画出一定的轮廓。把它们分辨出来已是极端的困难,在不同的光下,在我们大气不同的情形中,它们又都改变形貌,于是给它们画出的画就都大不相同了。在罗尼尔天文台(Lowell Observatory)的观测者所绘的图中,这些运河是细黑线,而且多得织成一张包住火星表面大部分的网。在斯克亚巴列里的图中,它们倒像是暗弱的宽阔地带,既不像罗尼尔天文台画得那样清楚,也不那样繁多。在这图中还有一点很有趣——在水道相交的地方都有圆点,好像圆形的湖一样。

火星上一个能很清楚地看出的特色是一块大而黑的近乎圆形的斑点,斑点的周围则是白色的。这个大斑点被称为“太阳湖”(solis lacus)。这是所有观测者都同意的。他们也还大致同意从这湖分出的一些条纹或水道。但我们更进一步就要发觉他们并不完全同意这些水道的数目以及周围的情形了。另一特色则是一块三角形的黑斑“大席尔蒂斯”(Syrtis major),这是著名的物理学家惠更斯第一个画出的。

关于火星上“运河”的存在早已无疑义了。它们已经过许多天文学家的观测,并且有过很成功的摄影。大概说来,它们也许比早期观测者所见要宽阔些,更不规则也更不精美一些。我们认为这些“运河”是火星上自然的(非人工的)景物。火星上曾有过洪水,这些河道十分清楚地证明了许多地方曾受到侵蚀。在过去,火星表面显然存在过水,甚至可能有过大湖和海洋。但是这些东西看来只存在很短的时间,而且据估计距今也有大约40亿年了。

图38 火星的『运河』

火星的表面于是就有极有趣而又多变化的种种相貌了。在所有行星中(除了地球),它的表面是最适于望远镜观测的。它呈现一片带红色的背景,使人想到荒漠的原野。在这背景上我们看到一些蓝绿色大块——这是起先叫做“海”的,这名字一直延留到现在,正像月亮上的海一样,虽然这两种海现在都无人认为它是有水的地方。连接这些海的是一些较狭的暗纹,就是“运河”,这旧有的名字也随着海一同延续下来。

火星的四季

早期的观测认为火星极冠区主要被冰雪覆盖,但是最近的观测认为,火星的大气比我们的要稀薄得多,那层薄薄的大气主要是由二氧化碳(95.3%)加上氮气(2.7%)、氩气(1.6%)和微量的氧气(0.15%)和水汽(0.03%)组成的。最细心的观测告诉我们:火星大气中的云很少会遮蔽上面的景物。因为只有在大气中水汽凝结时才会下雪的,所以火星的极区中不大可能下那么大的雪。即使能在火星极区中下雪并且化去的雪量很少,积雪大概也只有几厘米深。

火星表面的平均大气压强仅为大约700帕斯卡(比地球上的1%还小),但它随着高度的变化而变化,在盆地的最深处可高达900帕斯卡,而在奥林匹斯山的顶端却只有100帕斯卡。但是它也足以支持偶尔席卷火星数十天之久的飓风和大风暴。火星那层薄薄的大气层虽然也能制造温室效应,但也只能提高其表面温度5摄氏度,比我们所知道的金星和地球的表面温度少得多。

1976年,“海盗”号探测器接近火星,它发现火星的两极覆盖的物质主要是干冰,而不是积雪,因此否定了火星表面存在水的猜想(科学家们现在相信,干冰层的下面可能有冰水层)。那么,火星的四季是怎么形成的呢?当火星的一半球上春季渐过的时候,白色的极冠就逐渐减缩,这一半球的黑暗地方就更显明、绿色更重。当夏季渐过而极冠完全或差不多完全化去时,这些黑暗地方就很显然地衰落而变成褐色。关于这种季候变迁的早期看法是说由于植物造成的——在火星春季植物开始茂盛,而秋季来临就又死去。当然这种说法已被证明是错误的。火星上看似季候变迁的现象根本不是植物的表现。那究竟是什么原因呢?

图39 火星北极地区

科学家们开始把注意力集中到火星表面的土壤上。或许火星表层土壤是由粉红色的类似长石的矿物构成的,或许是由一种地球上所没有的矿物所构成的?有人推测,火星表层土壤是由一种性质类似塑料的低价碳氧化物所构成。美国普林斯顿大学的地质学家迪特·哈格雷夫斯认为火星的表层土壤是由绿高岭石构成。千百万年前火星上的火成岩与火星上一度存在的山相互作用,形成了一层绿高岭石外壳。当时不断有大量陨石穿过薄薄的二氧化碳大气层落在火星表面,陨石落下时的巨大冲击产生了足够的热量,使火星表面某些区域的绿高岭石转变为红色的磁性矿物;而随后落下的陨石又将这些红色的磁性矿物击碎为细小的红色尘土,随风四散,分布到整个火星表面,从而使火星呈红色的外观。

火星的卫星

火星的两颗卫星是1877年霍尔(Hall)在海军天文台发现的。以前的观测未曾见到它们,是因为这两颗卫星异常地渺小。大概从没有人想到过卫星会那样小,因此也没有人费神用大望远镜去细心寻觅。可是发现以后它们却绝不是难以看见的东西了。当然对它们观测的难易程度是要依靠火星在轨道中的位置以及相对我们地球的方位所决定的。在火星接近冲位的时候,有三四个月甚至六个月(依情形而定)的时间可以观测它们。在近日点附近的冲时,甚至可以用直径不到30厘米的望远镜看见它们。究竟看出多么小,是要依观测者的技术和从眼中消去火星光的努力而定的。大致说来,一架直径30厘米至45厘米的望远镜是必需的。看它们的困难完全因火星的光辉而起。如果能将这光辉除--去,从更小得多的望远镜中也无疑是可以看见的了。因为这种光辉的缘故,外层的一颗较容易看见——虽然内层的那颗更为明亮。

霍尔把外层的卫星叫做“火卫二”(Deimos),内层那颗叫做“火卫一”(Phobos),这两个都是古神话中战神(Mars)的侍从。火卫一有一个特点:它与火星之间的距离是太阳系中所有的卫星与其主星的距离中最短的,从火星表面算起只有6 000千米,它绕这颗行星旋转一周只用7小时39分,这比火星绕轴自转一次的时间的1/3还少。因此,在火星上看来,最近的“月亮”出于西方而没于东方。

火卫二的公转期间是30小时18分。这种迅速运动的结果便是在它一起一落之间要过去差不多两天。

火卫一离火星表面只有6 000千米。如果我们未来的火星移民中有业余天文学家,那这一定是他们最有兴趣的对象。

图40 火卫一

在大小方面说来,这两位是我们在太阳系中看得见的最小的东西了(除了也许还有更暗弱的小行星)。光度的推测告诉我们火卫二的直径是8千米,火卫一的直径是16千米。我们所见的它们的大小和从纽约望波士顿空中悬的一颗苹果差不多了。

这两颗卫星的最大的用处是使天文学家能够借以研究出火星的准确的质量,最终证明了其质量只有地球质量的1/9。这是怎样得来的,我们将在后面论及行星质量的那一章中叙述。

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