火星观测及冲日周期分析

为了论述完整，此处我们还要对火星在轨道上的运动情况做进一步解释。火星运动与地球运动的组合使得我们可以周期性地观测到火星。

我们在第二章中阐述了人类是如何从地面天文台观测到了各种行星。由于行星在太空中连续占据的不同位置，我们每一次观测到的结果都与之前有所不同。鉴于火星距离太阳比地球更远，它不可能像水星和金星那样出现介于地球和太阳之间的情况，所以火星不会呈现出类似水星或金星那样的一系列相位。如同其他所有距离太阳更远的行星，火星被照亮的半球总是朝向地球。当火星冲日且和地球之间的距离最近时，就是我们观测火星的最佳时机。

如果火星和地球的轨道呈圆形且同心，那么每次火星冲日都在同样的条件下产生，且两颗行星之间的距离每次都相同；然而，我们已知实际情况与此截然不同，火星轨道的偏心率使得冲日的火星与地球之间的距离每次都大相径庭。这些差量非常明显，我们有必要明确它们的数值，因为这对天文观测的难易程度能造成显著影响，尤其当我们所用仪器的光学性能欠佳时。

当火星运行到太阳背面发生上合时，火星正好在远日点附近，此时它与地球的距离最远；如果冲日的火星正好在近日点附近，那么此时它与地球的距离最近。这两种情况下的火地距离相差极大，由于这些不同的距离，我们所看到的火星视大小也不一，相差最大时就如上方的插图所示。火星最大视直径为25角秒，此时的观测效果最佳，只需放大75倍，天文观测仪视域中的火星理论上就能和我们用裸眼看到的月面大小相当，因此我们能在某些时刻卓有成效地进行火星观测，尤其当大气条件允许我们使用高放大倍数的大型天文望远镜时，但根据上文所示的火星和地球运动的组合，最有利的观测条件每15年才出现一次。

每次火星冲日都发生在轨道的不同位置上，导致火星的视直径也随之变化。

现在我们来研究一下冲日周期内火星连续7次的冲日情况。当然像这类的数据都是平均值，但对综述来说已经足够了。因为每次冲日都发生在轨道的同一点附近，所以大冲可以是冲日的火星恰好在近日点上，也可以是在近日点附近，即比冲日当天提早或推迟几天。我们例举目前正在进行中的冲日周期：最近一次最佳冲日发生在1924年，这一次的“最佳”称号名副其实——火星逼近地球的距离几乎达到了最短，视直径达25.1角秒(1)；接下来的冲日发生在1926年，火星离地球稍远，视直径为24.4角秒；第三次是在1928年，视直径只有16角秒；第四次在1931年，冲日的火星在远日点附近，视直径降到了14.4角秒，到了1933年视直径还要更小，只有13.9角秒。继这两次最不利于观测的火星冲日后，接下来冲日的火星又开始靠近地球：1935年，冲日火星的视直径达15角秒；1937年，视直径增至18.4角秒；该周期的最后一次火星冲日发生在1939年，我们将再次看到又大又亮的火星，这也标志着新一轮冲日周期的开始。

以上的每次会合周期里，我们都会看到从正面被照亮的火星相对于太阳所处的各种角位。由于这种相对靠近的距离，我们在某些时候能看到火星没有被照亮的部分。火星不像月球、水星和金星那样会呈现出一组完整的相位，火星相位略不同于完整的圆面，最大相位发生在东西方照之时——分别在冲日前后，火星在天空中的位置与太阳成直角；此时未被照亮部分的宽度占了火星视直径的1/7，我们看到的火星类似满月前后几天的月相。因此，我们就能够观察到火星上的斜照界限，这对揭示火星表面的凹凸状况以及大气现象极有价值。

我们所见到的每次冲日的火星大小不一，除此之外，由于火星的自转轴倾角，这个球体呈现在我们眼前的方位也不同，这是我们在详细研究火星表面及其特性时不容忽视的因素。(www.xing528.com)

最大相位下的火星样貌

火星球体与轨道平面的倾角以及火星的气候带。C是北极圈，C’是南极圈，T和T’是回归线。图中的火星北半球正处于夏至日。P le Nord：北极；Plan de l’orbite：轨道平面；quateur：赤道；P le Sud：南极

当冲日的火星在近日点时，正对我们的是倾斜的火星球体的南半球（上）；当冲日的火星在远日点时，正对我们的是北半球（下）。对比火星在这两个位置上的视直径。

读者可以再次参照图示，图上除了标有轨道间的距离关系，还标注了有关火星季节更替的要素。我们看到二至点间连线靠近火星轨道长轴，因此根据火星的轴倾角，当火星在近日点冲日时，朝向地球的是火星的南极。在这种情况下，火星的整个南半球尽收眼底，北半球则完全没办法看见，只能看到火星圆面底部北半球的一部分。趁此机会我们顺便说明，图像在天文望远镜的视野中是颠倒的。对一个身处北半球的观测者来说，所观行星的北面会出现在底部，南面则出现在顶部，此处附上的图片就是这样来呈现行星样貌的；相反，如果冲日发生在轨道的另一侧，也就是火星在远日点附近，我们反而会看到火星北极正处于夏至日，北半球为夏季，不可见的则是南半球的大部分区域。在大冲和小冲之间的火星冲日，也就是上述两个位置的两侧期间，我们会看到，火星处于春秋分日，南北半球经历着不同的季节。这样一来便很容易解释火星在不同会合周期里呈现在我们眼前的不同样貌。

多亏了这些不同的观测条件，我们才能够掌握火星上的季节规律，并发现由此带来的显著影响，我们将于下文对此展开论述。最后，综合火星与地球之间的距离以及火星倾斜的角度，我们发现在细节的可见度方面，火星南半球要比北半球更便于研究。

(1)　 火星冲日是指太阳、地球、火星依次几乎排列成一线的时候，而这里的“最佳冲日”是指火星大冲，火星此时位于其近日点上或附近，地球位于其远日点或附近，此时火星最接近地球且亮度最大。冲日和大冲之间的主要区别在于大冲之时，行星距离地球更近，更易被观测。最近一次的火星冲日发生在2018年7月27日，下一次火星冲日预计出现在2020年10月。