3．火星上的环境

大气层

1666年，艾萨克·牛顿首次发现玻璃棱镜可以将“白”光折射成彩虹色。1814年，德国的约瑟夫·里特·弗劳恩霍夫（Joseph Ritter Fraunhofer）发现有细细的暗线出现在太阳光谱中。这两个现象的原理一直是一个谜，直到1859年，古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）发现，这些暗线与气体燃烧时在暗色光谱中呈现的明亮线条相对应。因此，从某种程度上说，这些暗线是某种物质存在的特征。伦敦的威廉·哈金斯（William Huggins）一直在探索，天体究竟是由什么物质组成的，他将这一发现比作“在干旱肮脏的泥地上，发现了一股清泉”。

1867年，哈金斯观测了火星光谱，通过火星反射的太阳光，确定了大气的化学成分。太阳靠近地平线时，阳光穿过地球大气层，这时测得的太阳光谱反映了地球大气层的成分；他发现，当火星高挂在天空中时，火星光谱中的水蒸气吸收线，跟我们在地平线上测到的太阳光谱一样。而月亮升起时，他检查了月亮的光谱，却没有发现这些暗线，据此，他得出结论，火星的大气中有水蒸气。

法国人皮埃尔·朱尔斯·塞萨尔·詹森（Pierre Jules César Janssen）发现，包括有火星大气特征的光，在穿过地球大气层的过程中会发生改变，我们所观测到的光谱，是火星大气和地球大气两者组合的结果。1867年，他在埃特纳山（Mount Etna）10,000英尺（3048米）的山顶观测，以尽量减少地球大气对光的吸收。詹森连续进行了两个晚上的观测，第一次通过观测月光，来评估当地大气的吸收强度，然后等待火星在第二天晚上升起时，再进行观测。他的结论是，火星大气中含有丰富的水蒸气。1872年，德国人赫尔曼·卡尔·沃格尔（Hermann Carl Vogel）做了类似的分析；1875年，英国人蒙德也验证了这一结果。

在获得月球的光谱后，往往还要等几个小时（也可能是几天），等火星达到类似高度时，才能对两个光谱进行比较，这也使观测过程存在相当大的不确定性；尤其是当地的天气条件有可能在此期间发生变化。火星大气中含有水蒸气的观点强化了这一认识，即火星极地冰盖中有季节性的水冰形成的积雪。

1894年，为了对哈金斯、詹森、沃格尔和蒙德关于火星大气中有水蒸气的报告进行评述，威廉·华莱士·坎贝尔（William Wallace Campbell）用利克天文台的一台新型光谱仪进行观测，结果表明，“火星光谱跟月球光谱在各方面都是相同的”。

然而，到了1895年，沃格尔再次拍到了火星光谱，他坚持认为：“毫无疑问，火星的大气成分与我们地球的大气成分在本质上没什么不同，尤其是在富含水蒸气方面。”

1902年，罗威尔意识到，火星相对地球的视速度达到最大（±20千米 /秒）时，我们应该可以区分出哪些是火星大气层产生的吸收线，哪些是地球大气层产生的吸收线。1908年，当弗拉格斯塔夫天文台的空气异常干燥时，维斯托·梅尔文·斯里弗拍摄了月球和火星的光谱，他得出结论，火星的吸收线略强，表明大气中含有水蒸气。然而，坎贝尔指出，斯里弗观测到的特定吸收线，是由于胶片对光谱响应的灵敏度急剧下降造成的，因此，这一结果值得怀疑。

1909年的火星冲日期间，坎贝尔再次对月球和火星的光谱进行比较，这次是在美国加州的最高峰惠特尼山14,500英尺（4420米）的山顶观测的。坎贝尔所处的位置，高于地球大气中大部分水汽的高度，同时，由于月球和火星在天空中的位置很接近，可以最大限度地减少外在因素的影响。他证实，火星大气层中存在水蒸气的报告是错误的。但由于坎贝尔只能带一台小型仪器上山，只能获得低色散的光谱，因此，罗威尔并没有认真对待他的测量结果。1910年，坎贝尔在利克天文台获得了更高色散的光谱，他最终证明，火星大气中都明显缺乏氧气和水蒸气。

罗威尔曾建议，观测火星大气的最佳时机，是当火星与地球的相对运动，将火星大气的光线与穿过地球大气层的光线分离的时候。1933年，火星和地球的相互关系符合罗威尔提出的这一特征，沃尔特·西德尼·亚当斯（Walter Sydney Adams）和威尔逊山天文台的西奥多·邓纳姆（Theodore Dunham）重新进行了测量，他们发现，“火星大气中的氧含量，可能不到地球上同样面积的上空大气中氧含量的千分之一”。

1939年，在火星发生近日点冲日时，法国的杰拉德·德·瓦库勒（Gerard de Vaucouleurs）有条不紊地进行观测和分析，发现火星反照率特征的光度随火星圆盘的移动而变化，以这种方式估算“大气质量”与视角的关系。从原理上说，火星子午线上的特定地区穿越大气层的厚度，比火星圆盘两侧特定地区穿越的大气层厚度更薄，所以，当行星自转时，火星表面的亮度变化可以呈现出大气密度的分布。由此，他估算出火星表面的大气压为9.3千帕。

然而，这项技术很难掌握，在20世纪40年代早期，其他观测者得到的数值基本在11.2千帕至12千帕之间。

1951年，巴黎天文台的奥多音·查尔斯·多尔菲斯（Audouin Charles Dollfus）用偏振测量技术，测量到的火星大气压仅为8.3千帕。

综上所述，这些结果说明，火星表面大气压约为地球表面大气压的10％。

1947年，杰拉德·彼得·柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）在美国得克萨斯州洛克山顶的麦克唐纳天文台，用口径为82英寸（208.28厘米）的反射式望远镜，首次探测到火星大气中的二氧化碳。尽管坎贝尔对水蒸气的观测证明，火星大气中的水蒸气很少，但在1949年，柯伊伯的报告却说：“极地冰盖不是二氧化碳组成的，几乎可以肯定，它们是低温下形成的水冰和雪，温度远低于0℃。”1950年，多尔菲斯在法国比利牛斯山脉的日中峰（Pic du Midi）天文台，用口径为24英寸（60.96厘米）的折射式望远镜进行类似的观测，得到了相同的结论。

1954年，瓦库勒认为，尽管极地冰盖的中心必然是厚厚的冰层，但冰盖周围的季节性沉积物都是厚度仅为几毫米的霜层。

坎贝尔打破了科学家早期对火星大气中的水蒸气的乐观推测，直到1963年，人们才最终明确地检测到了水蒸气。多尔菲斯在瑞士阿尔卑斯山区安装了一台特殊的分光镜，以尽可能降低当地的大气吸收。那里几乎检测不到水蒸气，从那里向上的大气中的水仅相当于200微米厚的液态水（如果把大气中的所有水蒸气全部凝结起来，所能形成的水层的厚度）。

海伦·斯宾拉德（Hyron Spinrad）同样持反对意见，他在威尔逊山天文台用对红外敏感的一种新型感光胶片，计算出火星大气中的水层厚度仅为14微米。这说明，火星肯定比地球上最干旱的沙漠还要干燥。如果火星上的温度不超过35℃的话，在表面大气压为8.5千帕的情况下，可以存在液态水。

1963年执行了同温层观测二期工程（Project Stratoscope II），将装有半导体分光镜的36英寸（0.914米）望远镜放在热气球上，等它飞行至海拔100,000英尺（30480米）的高空时观测火星。结果证实，火星大气中只含有微量的氧气和水蒸气。

正如天文学家罗伯特·雪莉·理查德森（Robert Shirley Richardson）在1956年出版的《人与行星》一书中所说：“探险家在火星上最不需要的两样东西，就是灭火器和雨伞。”

1964年，斯宾拉德通过光谱分析，得出火星表面大气压的上限为2.5千帕，二氧化碳的分压为0.4千帕至0.5千帕。他推测，大气中的其他组分主要是氮分子，但这很难检测。

1961年，哈罗德·克莱顿·尤里（Harold Clayton Urey）提出了更激进的想法，即火星大气中没有氮气。如果这是真的，那么，火星大气几乎全部由二氧化碳组成，而且大气压仅为几毫巴。在这种情况下，液态水在火星表面无法保持稳定。

锈色斑斑的表面

威尔逊山天文台发现火星大气中的氧气含量甚微之后，普林斯顿大学的鲁珀特·威尔特（Rupert Wildt）于1933年提出，氧气应已通过化学结合方式，进入火星表面物质。因此，黄褐色地带是“强氧化的沙质地层，铁元素几乎完全以氧化铁的形式存在”，火星就像生锈了一样！

1935年，亨利·诺里斯·罗素（Henry Norris Russell）指出，如果威尔特的观点正确的话，那么，这个星球上必定存在过大量氧气。而且，由于氧气易发生反应，所以，只有当火星上有可以补充氧气供应的植物，大气中才可以保持氧气，就像地球上一样。换句话说，虽然，今天的火星可能并不吸引人，但正如华莱士所说，火星表面生锈的样子，说明它在过去的某个时期肯定有过生命。这与现在流行的观点一致，既然火星比地球更小，那么，它的内部肯定冷却得更早。同时，作为一个“演化过的”世界，火星上现在已经没有细菌了。

1952年，弗兰克·吉福德（Frank Gifford）在弗拉格斯塔夫天文台，分析了1926年到1943年间火星的热辐射数据，他认为，除了更冷之外，火星赤道地区的昼夜温度变化曲线，非常类似于地球上戈壁滩的温度变化曲线，说明这两个地区的物理特征是相似的。

1952年，柯伊伯在批评威尔特的“铁锈理论”时指出，黄褐色地带的可见光和近红外反射光谱，与美国西南部沙漠的红色岩石和土壤不同。经过全面细致的实验室测试，他认为，与之最接近的光谱，应该是呈褐色的细粒矿物霏细岩（一种含有石英颗粒的钾长石），这说明，火星的地壳曾经历过岩浆活动。1956年，在极化测量结果的启发下，多尔菲斯形成了自己的观点，他认为，粉碎的褐铁矿（地球上的氧化铁水合物，主要形成于氧化铁的沉积物或附近）比霏细岩更接近于黄褐色地带的光谱。

植被？

至于暗黑地带，1952年恩斯特·朱利叶斯·奥皮克（Ernst Julius Öpik）曾提出，这些地方只可能是植被，否则，整个火星表面都会被沙尘暴所淹没，只有从尘暴中活过来的植物，才能重新营造出春天般的深色调。

1954年生物学家胡波图斯·斯特拉胡德（Hubertus Strughold）提出，火星表面的环境如此荒凉，似乎只有地衣才能在那里生存。有趣的是，地衣并不是植物，它是真菌和藻类的共生体，真菌为藻类提供了独立的生存环境，靠藻类光合作用产生的废物存活。地衣可以生活在真菌和藻类都无法存活的地方，只有在最寒冷的陆地生态位中才能发现它们。由于藻类和真菌比“高等”植物更原始，因此，它们可以在不同的世界中独立生存，这看起来很合理。

哈佛大学天文台的威廉·梅尔兹·辛顿（William Merz Sinton）1956年使用罗威尔天文台的24英寸折射望远镜，拍摄了火星的红外光谱，他认为，3.5微米波长附近的微弱吸收特征，是由乙醛甚至可能是叶绿素产生的。辛顿于1958年和1960年用帕洛马山上的黑尔反射望远镜拍摄了光谱，结果表明，这些吸收带仅出现在暗黑地带。然而，辛顿曾与月球进行过比较，在不同的夜晚观测火星和月球，所以，这一结论还存在诸多不确定性。

加州大学伯克利分校的乔治·皮蒙特（George Pimental）1965年证实，这一有争议的光谱特征，实际上是地球大气层中的氘水（“重水”的一种形式，其中一个氢原子被氘原子代替）。关于火星生命的调查从此告一段落。

火山？

1954年，密歇根大学的迪安·本杰明·麦克劳克林（Dean Benjamin McLaughlin）发现，火星上有一块像得克萨斯州一样大的区域迅速变暗。他据此撰写了一系列研究报告认为，火星上经常会有火山爆发，暗黑地带就是火山灰。对于大瑟提斯高原外围的V形暗黑条纹，他解释说，它们“应该是风，实际上，这些条纹是暗黑物质的源头，受风向变化的影响而四散开来”。通过与地球类比，他认为，这些暗黑特征的源头“只能有一个解释：它们是火山”。

麦克劳克林提出，反照率的季节性变化，可能是盛行风将火山灰吹到黄褐色地带的结果。他说，暗黑地带一直不变，说明火山一直很活跃。此外，风的模式必须年复一年如此，否则，就会如奥皮克所说，风吹起的尘埃很快就会完全覆盖暗黑地带。

火星盘处于盈凸相时，那里的山峰正迎着太阳，罗威尔趁此时努力寻找晨昏线黑夜一侧的山脉证据。1952年，多尔菲斯也未能观测到横跨晨昏线的山脉。瓦库勒认同，火星上没有大山，任何一座孤立的山峰，都不会超过上千米。因此，如果说火星上遍布火山，很难令人信服。

另一种反对意见认为，广泛的火山活动会把气体“排入”大气层，包括水蒸气，但这显然是不存在的。

挫折

1953年10月，弗拉格斯塔夫的罗威尔天文台成立了一个火星委员会，根据当时最准确的参考数据，编写了一本关于火星的参考书，作为未来研究计划的基础。

1956年近日点火星冲日时，火星与地球的距离达到历史上的最近值，天文学家希望用先进的望远镜、仪器和技术，使火星研究取得真正的突破。但是，9月初，火星南极边缘刮起了一场沙尘暴，只用了10天时间，整个火星都被笼罩在沙尘暴中，这种景象持续了整整一个月！