火星的前世今生

趙宇鴳

火星的公轉(zhuǎn)軌道和四季變化

火星也有四季變化

火星的自轉(zhuǎn)軸傾角是25.19°，因此火星也有四季變化。

在火星科學(xué)中，用“Ls”來標(biāo)注火星的季節(jié)。Ls=0、Ls=90°、Ls=180°和Ls=270°分別對應(yīng)了火星北半球的春分、夏至、秋分和冬至。因為火星的公轉(zhuǎn)軌道是橢圓形的，所以軌道上有兩個點(diǎn)分別距離太陽最近（近日點(diǎn)）和最遠(yuǎn)（遠(yuǎn)日點(diǎn)）。當(dāng)火星在遠(yuǎn)日點(diǎn)（Ls=70°）附近移動時，正值北半球的夏天，運(yùn)移速度比較慢;在近日點(diǎn)（Ls=250°）附近移動時，正值北半球的冬天，運(yùn)移速度比較快。因此北半球的春夏比秋冬長75個火星日。南半球正好相反，春夏短、秋冬長。另外，火星在近日點(diǎn)獲得的太陽輻照遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)日點(diǎn)，因此對南半球而言，夏天短但更炎熱，冬天長且更寒冷，季節(jié)變化比北半球更加劇烈。

模型推測火星自轉(zhuǎn)軸傾角變化時火星氣候和環(huán)境的變化

火星季節(jié)的長度和強(qiáng)度以萬年至百萬年的周期不斷變化。雖然現(xiàn)在的南半球春夏短而熱，但在25000年前，情況卻相反。火星的自轉(zhuǎn)軸傾角在15°-34°之間，平均為24°，變化周期大約為12萬年。當(dāng)傾角變小，極地冰雪會延伸至中低緯度;若傾角變大，太陽會直射極地，冰雪反而會在低緯度甚至赤道地區(qū)聚集（如下圖所示）。既然自轉(zhuǎn)軸傾角會對火星的氣候和環(huán)境產(chǎn)生如此戲劇性的影響，那它在火星的歷史上是如何變化的呢？回答這個問題并不容易。目前，我們可以較好地推測在距今一百萬至一千萬年間，火星自轉(zhuǎn)軸傾角發(fā)生過很大的變化，但再向前推就非常困難了。

南北二分性

火星呈現(xiàn)全球性的南北二分性。

火星地形圖和特征地貌。黑線描繪了南北二分性的邊界

在地形和火星殼厚度上，南方地勢高，火星殼較厚;北方地勢低，火星殼較薄。二分性分界線上還分布著許多河道，顯示出南方高地向北方低地的物質(zhì)輸送。在年齡上，南方高地遍布密密麻麻的撞擊坑，北方低地表面相對平滑。這些撞擊坑就像行星表面的“計時器”，撞擊坑越大且越密集就代表越古老。以此推斷，南方高地較為古老，北方低地較為年輕。進(jìn)一步的遙感觀測發(fā)現(xiàn)，北方低地表面普遍覆蓋著一層1～2千米厚的堆積物，它們源自附近的火山和南方高地輸送的物質(zhì)。在表層的堆積物之下，北方低地的基巖上也同樣密布撞擊坑，以這些被埋藏的撞擊坑回溯，北方低地的形成時間大約在40億年前。

延伸閱讀

在地形上，火星擁有很多太陽系之最。奧林帕斯山（Olympus Mons）高約22千米，是太陽系最大的盾狀火山，也是太陽系行星上最高的山峰。在它的旁邊，還整齊排列著“三顆紐扣”——由東北至西南分別為艾斯克雷爾斯火山（Ascraeus Mons）、帕沃尼斯火山（Pavonis Mons）和阿西亞火山（Arsia Mons）。這幾座大型盾狀火山都屬于薩希斯大火山?。═harsis）。大約從3了億年前開始，巨大的薩希斯隆起抬升并持續(xù)了好幾億年。薩希斯的隆起還造成了鄰近區(qū)域的破裂，形成了太陽系中最大的峽谷之一——水手大峽谷。水手大峽谷延綿超過4000千米，寬達(dá)200千米，最深處可達(dá)10千米。此外，火星還擁有太陽系第四大撞擊坑一海拉斯盆地（Hellas Planitia），盆地直徑約2300千米，深約7152米。

火星標(biāo)志性地貌。①薩希斯大火山省的四座大型盾狀火山;②奧林帕斯山;③水手大峽谷

與水作用有關(guān)的地形地貌特征。①由北卡塞河道和卡塞峽谷兩條河道組成的卡塞谷外流河道系統(tǒng);②埃伯斯瓦爾德撞擊坑內(nèi)的三角洲;③斜坡上可能由降雨形成的沖溝

火星車著陸點(diǎn)探測到的沉積巖、堆積物和蒸發(fā)鹽

火星殼中記錄的剩磁同樣呈現(xiàn)南北二分性?，F(xiàn)在的火星已沒有內(nèi)生磁場，但在大約41億年前，火星的內(nèi)核發(fā)電機(jī)曾經(jīng)活動過，并被火星表面的礦物記錄下來。但奇怪的是，目前探測到的剩磁信號主要集中在南方高地。關(guān)于北方低地為何缺乏剩磁信號，主要有兩種假說，一種認(rèn)為當(dāng)?shù)偷匦纬蓵r，磁場發(fā)電機(jī)已經(jīng)停止了活動，火星的全球性內(nèi)稟磁場已經(jīng)消失;另一種假說則認(rèn)為，火星磁場發(fā)電機(jī)原本就只產(chǎn)生了覆蓋半個火星的磁場。中國火星車即將在北方低地開展的探測將幫助解答這個問題。

火星古氣候假說