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我们生活的地球是围绕太阳转动的一颗行星，公转的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。和地球一起围绕着太阳转动的还有八个大行星，统称九大行星。这九大行星按照距离太阳的远近，从近到远依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星（见彩图4）。火星和木星之间还有一大批小行星。太阳和围绕它转动的这些大大小小的行星、卫星和彗星组成了一个非常和谐、美妙的天体系统，也就是我们的太阳系（图4-1）。太阳是九大行星的家长，因为太阳的质量非常大，占整个太阳系所有天体总质量的99%以上，巨大质量产生的巨大吸引力把九大行星牢牢地维系在自己的周围，永不离散。
图4-1 太阳系九大行星运行轨道示意图
红色的火星自古以来就备受人们的关注。我国古代因其“荧荧如火”而称它为“荧惑”。火星的轨道在地球之外，是地球的近邻。20世纪60年代末期人类的足迹已经踏上了月球，人类在登上月球之后，所选择的下一个目标就是火星。金星离地球比火星还要近，为什么不选择金星，而舍近求远首先选择火星呢？
火星距离地球很近，又很亮，最亮时可达-2.9等。火星与地球有许多相似之处，就像一颗小型地球。火星的直径6796 千米，约为地球的1/2。距太阳2.28亿千米，所接收到的太阳能量自然比地球要少一些，火星表面的平均温度比地球表面的平均温度大约低30℃。地球的自转周期是23小时56分，公转周期是365 日。火星的自转周期为24 小时27分，公转周期为687日。火星的一天与地球的一天很接近，火星上的一年大约等于地球的两年。地球上之所以有四季的变化，是因为地球的自转轴与其公转轨道面的法线并不重合，而是有一个23°27′的倾角。火星也同样有一个23°59′的倾角，只有半度之差，因此火星上也有比较明显的四季的变化。火星的两极都有白色的极冠，极冠的面积随季节的变化而增大或缩小，就像地球上南北两极的积雪和冰山一样。火星也有大气层，不过火星的大气比地球大气稀薄得多。火星有两个卫星，都比我们的月球小得多。
为了能够找到火星存在生命的证据，天文学家的望远镜始终没有离开过火星。1877年夏天，意大利布雷拉天文台台长斯基帕雷里发现火星表面有一些狭窄的暗线，还有一些较大面积的暗区，很像是一些海峡连通着宽阔的海洋。于是他把这些暗线叫做canali，这个意大利词的意思为“沟渠，水道”。但这个发现经过新闻媒体的宣传以后，就变成了火星上有运河，因为英文字canal的意思是由人工挖掘的运河。于是，火星上有人的消息很快便轰动了全球。
19世纪末期到20世纪初期，美国天文学家洛韦尔通过对火星长达十五年的观测和研究，画出火星上面的500多条“运河”。他认为火星人确实存在，指出：“火星表面缺水，智慧生命为了生存，就必须努力发展水利设施，这就是火星上有许多运河的原因。”后来，人们用更大的望远镜观测，发现所谓的“火星运河”是由许多孤立的形状不规则的暗斑所组成，而不是所谓的运河。可这并没有使人们对火星上有生命存在的看法彻底改变。到了20世纪50年代，苏联一位著名的天文学家甚至认为火星上虽然现在已经没有高级生物存在了，但是二三十亿年以前是有的，火星的两个卫星就是他们发射的人造火星卫星。这位天文学家的观点吸引了许多人的注意，因为大家都希望能在火星上找到生命。
虽然天文学家已经证实火星没有人工兴造的运河，它的卫星也不是人造的，然而火星上究竟有没有任何形式的生命存在这个最基本的问题仍然是科学家们关注的焦点。尽管人们建造的地面望远镜已经越来越大了，但仍然不能将火星表面的细节看清楚。求助于空间技术进行空间探测成为迫切的任务。
从20世纪60年代初期开始，美国和苏联开始陆续向金星和火星发射空间探测器。其中以美国所发射的四个系列的火星探测器（“水手”、“海盗”、“探路者”和“环球勘测者”、“机遇”和“勇气”）所获得的资料最多。对火星的了解也就越来越全面了。
美国宇航局“水手”系列探测器是第一批，1964 年11 月发射的“水手”4号在1965年7月首先飞达火星附近，距火星最近时为9200千米。探测发现：火星没有磁场；有像月球表面那样的环形山；大气稀薄密度不足地球大气的1% ，主要成分是二氧化碳，其次还有一些氩。火星上的条件显然比地球上恶劣得多。1969 年美国连续向火星成功发射“水手” 6号和7号，携带了测定火星大气成分和温度的仪器，测得的火星表面温度比原来人们的预测值还要低，在火星大气中也找不到水蒸气的踪影。1971年“水手”9号到达火星之际，正遇火星上出现大规模的尘暴，到处是黄沙飞舞，遮天蔽日，迷迷蒙蒙。这时，苏联的“火星”2号和3号两个探测器也来到火星附近，它们携带了性能很优良的照相设备，但是火星尘暴使这两个探测器的任务未能完成。“水手”9号不同于其它探测器，它不是从火星旁边飞过之后就一去不复返了，而是进入环绕火星的轨道，成为环绕火星运行的人造卫星。它与火星的最近距离达到了1395千米。几个月后，火星尘暴平息了，它获得了比其它“水手”号更多、更精细的资料。
图4-2 利用“海盗”号的多幅照片拼接而成的奥林匹斯火山
几个“水手”拍摄的火星照片都显示火星表面到处是沙漠，根本没有运河。从地面望远镜看到的火星表面的一些暗斑并非人们所想像的海洋或湖泊。“水手”9 号探明，原来以为是一座积雪覆盖的奥林匹斯山却一点雪也没有，而是一座高24千米的太阳系中最大的火山（图4-2）。火山口直径80千米。估计它最近的一次喷发是在2500万年以前。火星的赤道地区有一条巨大的峡谷，全长3000 多千米，宽200多千米，深六七千米，因为是“水手”9号发现的，被命名为“水手谷”。火星表面还有许多类似于地球上河流一样的地貌，一条条一道道蜿蜒曲折，宽窄不一，但是里面并没有水。“水手”9 号还测定了火星两个卫星的形状和大小，照片显示出的卫星形状极不规则，像是两个被虫子咬过的大土豆，上面还有许多被撞击而生成的坑。
1975年，美国宇航局又相继发射了两颗火星探测器“海盗” 1 号和“海盗”2号。“海盗”1号于1976年6月到达火星，成为围绕火星运行的人造卫星，它携带的着陆舱于一个月后在火星上着陆成功。“海盗”2号的着陆舱于1976年9月在火星表面着陆成功（见彩图6）。它们的主要使命就是探测火星上有没有任何形式的生命存在。
每个着陆器上都携带着精密的仪器，分别用来探测火星表面温度，分析土壤成分、大气成分，测量风速，探测火星地震等等，当然还有最重要的任务，就是寻找火星生命的迹象。它们在火星表面看到的景象是一派荒凉。一望无际的沙漠中到处是一块块大大小小的石头。石头的颜色与地球上的石头颜色很不同，是一种很独特的铁锈红色。经过测试发现，火星土壤由硅酸盐组成，与地球相似，但含铁量很高，才使得火星岩石呈红色。
与以前的探测结果不同的是“海盗”号发现火星大气中还是有极少的水蒸气，比地球上最干旱的撒哈拉沙漠地区的水分还要少。为了寻找火星生命的迹象，“海盗”号着陆器挖掘了火星表面的土壤，进行了多种能够证明土壤中含有生命的实验，但是没有一种实验能得出火星上有生命的足够证据。“海盗”号着陆器携带的仪器又对火星土壤样品进行了是否含有有机化合物的分析测试，没有发现任何有机分子的存在。有机分子是生命的基础，没有有机分子，就谈不上生命问题了。
“海盗”号着陆器不会走动，它们在火星表面采集样品的范围仅限于四周大约10平方米之内。这使科学家们想到可能其它地区还会有生命的迹象存在，把关注的焦点又转移到了火星的南北两个极冠。他们猜想，火星极冠中可能既包含了大量的干冰，又包含着大量的水冰，从这些冻结的水中可能会找到火星生命的踪影。
1996年11月和12月美国相继发射了两颗火星探测器——“环球勘测者”号和“探路者”号。前者于1997 年9 月，后者于1997 年7 月抵达火星。“探路者”号是后发射的，但由于走了一条捷径，却先期到达火星。“探路者”号由轨道飞行器和着陆器两部分组成。着陆器上除携带了摄像机、360°全景照相机等仪器之外，还携带了一个名叫“索杰纳”的机器人，也称为“索杰纳”号火星车。“索杰纳”在火星表面的行动异常谨慎，1分钟只前进60厘米，在预定的1个星期之内大约行走了100米左右。
“探路者”和“索杰纳”在火星表面拍摄了大量全景照片和特写照片（图4-3,4-4）。还做了许多关系到火星有无生命问题的科学实验，例如收集和测定火星土壤和岩石碎块中的原始微生物化石，测定土壤和岩石的化学成分，利用探棒插入土壤测定土壤深部的化学成分与含水量，等等。其中最重要的一个结果是推断在30 亿~10亿年前，火星表面确实曾经有过洪水的活动，因此也形成了火星表面大量的河谷遗迹。
火星“环球勘测者”进入环绕火星的椭圆轨道之后，对火星的地貌、大气、矿藏以及磁场等情况进行了测量。它发现火星并不是完全没有磁场，而是有一个不易被探测到的微弱磁场。“环球勘测者”另一项更引人注目的成果是得到了火星表面2700 万个点的高度值，由此绘制出一幅火星的三维图像：一个非常漂亮的火星立体模型。与立体地球仪相类似，火星表面的高山、平原、峡谷、盆地等所有地形地貌都是按照实际高度的同一比例绘制出来的，为了更逼真和醒目，采用不同的颜色表示不同的高度，用红和白的颜色代表比较高的区域，而用绿和蓝色表示低洼的地区，这样，火星表面的地貌特征就形象而生动地呈现在我们的面前了（见彩图8）。科学家认为，目前人类对火星表面了解的详实程度甚至超过了对地球许多大陆性区域的了解。
图4-3 “探路者”号在火星表面拍摄的360°全景照片
图4-4 “索杰纳”在火星表面工作的情形
面对火星的三维图像，我们发现火星表面有许多十分突出的特征。火星的北半球不仅相当平滑，而且明显地比南半球低洼。南半球平均比北半球高5千米，上面密密麻麻地分布着许多环形山。靠南极的地方，还有一个巨大的盆地。南北半球之间存在的高度差形成了从南半球到北半球的倾斜，导致了火星历史上宏观的水流方向基本上都是从南向北的。火星表面75%的河床都分布在北半球的低洼地里。但是，这些河床早已全部干枯了。火星上的水都跑到哪里去了呢？
从三维图像可以看出，火星北极就像“戴”着一顶硕大的用冰做成的帽子（图4-5）。这顶大帽子方圆大约有1200千米，最厚的地方大约3千米。那上面还有1千米深的山谷。测量结果还表明，构成火星北极冰帽的水仅仅只有地球南极冰层的4% 。南极冠区和北极冠区在轮廓上有很相似的地方。可以认为南极冠区也有大量的水冰存在。
图4-5 火星三维地形之北极冰帽
到了2003年，火星探测又掀起以找水为核心的探测高潮。这是火星上现在或历史上有没有生命存在的关键。2001年美国的“奥德赛”绕火星飞行，不仅探测到火星表面在历史上有水的证据，还发现火星南极有大量氢分子存在，间接地表明那里有冰冻水的存在。
这一高潮中，有欧洲空间局于2003年6月2日发射的绕火星飞行的“火星快车”。美国2003年6月10日和7月7日发射的“勇气”号和“机遇”号火星漫游车，并分别于2004年1月4日和26日到达火星表面。这一对耗资8.2亿美元的火星探测器是自2003年2月1日“哥伦比亚”号失事以来美国宇航局的最大的太空探测项目。也是继“阿波罗”号飞船登月以来人类又一项伟大的科学探索，第一次有两台火星车在火星上工作。
这两台火星车集尖端高科技于一身。它们实际上是2 名聪明能干的“地质工作者”机器人，并携带了诸如全景相机、显微成像仪、小型放热光谱仪、阿尔法粒子X 射线光谱仪及岩石模具等先进的科学仪器（图4-6）。
图4-6 “勇气”号火星车
它们位于火星不同的半球，“勇气”号在火星赤道以南15 度的古谢夫环形山，“机遇”号在梅里迪亚尼平原区域附近。
总共有四个主要探测课题：寻找是否有水存在；了解火星的气候；勘查火星的地质情况；为载人火星探测做准备。“勇气”号在登陆成功后，很快就由红外辐射仪测量了登陆处的气温，还发现一种“泥浆状的物质”，尚不能确定是什么，只是猜想可能是从火星地底深处蒸发出来的潮湿物质留下来的。大量的探测则是对岩石进行化验，寻找火星水的踪迹。
“机遇”号在进入名为“持久”的陨石坑后，首先探测了陨石坑内上部的岩层，发现岩石中富含硫酸盐。火星车在更下面的两个岩层中发现了硫酸盐以及球状凝结物。这些都是岩石在潮湿环境下形成的迹象。“机遇”号的新发现让科学家们感到有点意外。原来认为在“持久”陨石坑深层只能找到玄武岩，可是出乎意料的是也发现了盐。意味着这里可能有水，至少是曾经有过水。“机遇”号不久前对“小鹰”陨石坑内的岩层的探测结果也发现类似的情况。
“勇气”号的新发现也令科学家惊喜，“勇气”号在一名为“哥伦比亚”的小山脚下发现岩石中含有赤铁矿。而在以前的对此处的古谢夫环形山为期5个多月的探测中，却没有在岩石中发现赤铁矿。按照地球上的赤铁矿形成都与水有关的环境特点来推断，可以认为火星上曾有过水。当然，火山作用也可能会形成这种矿物。因此还不能下结论。
这2台火星车接受远在地球的科学家的指挥，变更观测目标，可以在火星表明行进几千米。虽然，在它们登上火星表面以后曾经发生很大的故障，几乎要了命。但是，火星车既可以接受地面控制人员的指挥，又具有自检测和调整的能力，终于转危为安，逐渐恢复正常工作，人们正期待它们获得更多的探测成就。
就在“勇气”号伴随着“机遇”号在火星表面成功着陆的同一时间段，即2004年1月份，欧洲空间局的“火星快车”也抵达火星附近。虽然它所携带的“猎兔犬”2号着陆器未能成功实现使命，但它所携带的7种科学仪器在围绕火星的轨道上对火星的大气、地貌以及地下岩层分布进行遥感探测，取得了许多珍贵的科学成果。最令我们关注的是，它的高分辨率立体相机（HRSC）拍摄的火星地貌图中，一些高地、悬崖和峡谷有明显被水流腐蚀和冲刷过的痕迹。这为火星历史上曾经有过水的论断增加了新的证据（见彩图7）。
美国著名的《科学》期刊评出的2004 年十大科技突破的首条就是：美国“勇气”号和“机遇”号火星车对火星的探测，发现火星曾经温暖和湿润，有可能在数十亿年前曾支持生命的进程。