火星外貌：火星南北极白斑及极冠的研究成果

我们已经明确了在什么样的条件下火星能相对离我们最近地供我们观测，现在我们要将关注点放在火星的特殊外观上。比起其他行星，也许火星能更好地见证人类对地球邻星们的认知是如何一步步得到完善的。在火星可视细节的测定方面，早先的基本概念很快就被更为可靠的数据所代替。在众多天文观测者的狂热之下，火星细节以惊人的方式不断变得更加精确，天文学家借助越来越强大的工具，致力于探索这颗长久以来一直被看成地球翻版的星球。

我们有必要对火星观测活动的发展做一番回顾，这段发展史同时也是以观测事实修正先入之见的过程。

首先我们注意到，尽管火星地貌及其特殊环境还有待我们深入，但我们至少不会像观测金星那样只能得到令人失望的结果。

总体来说，在火星所呈现出的黄色或橙色表面——用裸眼看去火星颜色相当有特点——有一些暗绿色的斑块，有的甚至颜色极深、对比清晰；这些斑块的可见度根据观测所用工具的性能而定。斑块在布局上最后组成了一个连续整体，至少我们总是可以识别出其主要的轮廓。我们同样可以在相当早的火星图上辨认出这些最主要的细节，但较之其他更为现代的火星图像仍有明显差距，其中的不同之处似乎主要缘自观测者个人的判断以及他对自己视觉印象的图解，因为我们不要忘了，虽然火星表面的细节相对清晰，但当火星在远日点冲日时，我们看到的火星尺寸相当有限甚至微不足道。要知道，天文望远镜所得的小尺寸图像会受到地球大气中的浑浊物质极大的影响。

只要是对天文观测稍有了解的人，就会在各种看似毫不一致的图像对比中找到线索。从中我们会发现，观测火星的难点至少不是观测金星时遇到的物理障碍——从不那么明显的表象中识别出某样东西。总之，如果我们仅满足于平均值，暂时忽略我们刚刚一再提到的偶然出现的分歧，那么从最早的观测开始不断积累的无数材料都对我们对火星的认知有极为重要的数据参考价值。

人们是如何越来越有效地观测火星的呢？我们有必要对此做一番回顾，以更好理解自上世纪末以来不断推陈出新的火星假说。

除非是在近日点冲日的情况下，否则只靠一台性能较弱的光学仪器，火星是很难被观测到的。就连伽利略的望远镜，除了能观测到一个小球形状的图像，也再不能提供更多的细节了，但这个图像所呈现的相位与哥白尼的日心说相符。之后冯特纳于1636年画出了最早的火星图，他笔下的火星中间装饰有一颗黑色“药丸”；第二幅火星图可追溯至1638年，冯特纳所画的火星相位清晰得有些夸张，在中心位置仍然出现了同样的斑块，但我们很难将此图像视为火星真实的样貌，因为我们注意到，圆盘中间那个完美的圆形在第二张图中随着火星相位的改变也相应变成了卵形。同样出自冯特纳之手的还有金星的外观图，也许他会画出这样的图像只是因为他使用的透镜还不够完善。我们之所以给出这些早期人类通过天文望远镜观测到的结果，皆是出于对历史的好奇之心。

冯特纳借助望远镜绘制出了最早的火星图（1636—1638）。

1659年11月28日惠更斯所绘的火星草图

紧随冯特纳的后继者们也没有带给我们有价值的信息。

后来，随着光学的迅速完善，惠更斯和D.卡西尼分别于1659年和1666年获得了一些具有启发性的观测结果。在他们还相当初级的火星图上出现了一些真正的斑块，尽管这些草图如此粗糙，人们还是能够从中辨认出主要的线条，尤其是在惠更斯的火星图上可以清楚地看到斑块由于火星自转产生了位移，据此惠更斯估算出了火星时长24小时的自转周期，也就是与地球自转相同的时长；后来卡西尼进一步证实了火星的自转周期大约为24小时40分钟，这一数字已经非常接近现代观测得出的精确数值：24小时37分钟23秒。

卡西尼还是发现火星南北极白斑的第一人，我们将在后文对此展开论述，因为这些现在被称为极冠的地区呈现的，正是火星上可被明显识别的最重要的地貌之一。

1666年卡西尼绘制的火星外观图

从这一时期开始，火星观测取得的进展越来越显著，越来越多的天文学家投身到了火星研究中去，我们在此展示的各种图例直接反映了这种前进步伐。我们无法在此一一详述所有的研究工作，但我们要例举其中威廉·赫歇尔的发现——他除了观测火星地貌，还尤其关注火星的极冠及其变化，并以此确定了火星的自转轴倾角。我们还要例举施罗特的成果——他细致描绘的火星图已经让我们对火星外貌的主要特点有了了解。还应注意的是，在施罗特的观测结果中，有些细节后来被斯基亚帕雷利大量标注并冠以运河的名称，这些形状狭长的显著细节被赋予了神秘色彩。

可见，从19世纪初开始的观测结果已经让我们了解到了这颗行星总体样貌的轮廓。当时的观测工具各式各样，有望远镜，也有天文望远镜，各种仪器的性能千差万别，但质量尤其是光学部件质量的完善使得图像的清晰度越来越令人满意，火星细节研究也取得了巨大进步。由于火星上的大块斑纹呈深色，即便是最小的观测工具也能辨识出来，但还不足以精确揭示它们的形状和轮廓，尤其在颜色变化方面——我们将看到这对火星研究的意义重大——这些普通工具束手无策。

施罗特所绘的三幅火星图（1798年和1800年）

比尔和梅德勒所绘的火星图（1830年和1832年）

比尔和梅德勒于1820年至1839年间完成的杰出工作证明了，即使通过简易设备也能有效观测火星，但前提是这些观测工具性能出色。比尔和梅德勒使用的望远镜的物镜为108毫米，在当时已臻于完美，他们由此证实并补充了前人的研究成果，可以说二人对火星的研究已经相当完整。我们想要强调的是，比尔和梅德勒是最早尝试制作火星地图的天文学家，我们此处附上的地图虽然只能让人辨认出火星地理分布的主要轮廓，但二人的火星地图曾一度被奉为经典。他们还选择了位于火星赤道附近的一小块非常明显的暗斑作为经线的起点；这条本初子午线后来被一直沿用了下去，而与之有关的地貌被命名为子午线湾，之后斯基亚帕雷利赋予它“Sinus meridiani”这一拉丁文专业术语名称，但我们注意到，比尔和梅德勒的经度递增方向与后来人们绘制火星地图采用的方向相反。

继比尔和梅德勒之后，人们对火星的描绘越来越精确，其中神父塞齐（1858年）、洛克耶（1862年）和道斯（1864年）的观测所提供的信息之准确，即使拿到现在审视也无可指摘。尤其是在道斯的火星图中也出现了几条施罗特一早就发现的著名运河。

我们在此只能概述前人所做的研究。多亏了他们的工作，我们对火星的认知才如此丰富，以至于为了方便描述和指称，我们有必要建立一套专业术语以仔细研究各种细节在地图上的分布。火星上类似海洋（深色斑块）和大陆（浅色、黄色或橙色斑块）的地貌自然就被唤作海洋和大陆。1867年，普罗克特根据当时已知的所有信息，公开了第一版此类型的火星地图：海洋、大洋、陆地或岛屿都以著名天文学家的名字命名。

比尔和梅德勒绘制的第一幅火星世界地图（1830—1832）

只需将这张地图与通过现代观测绘制的地图进行对比，就能发现人类在火星地貌观测领域实现了多大的进步。也许普罗克特的火星地图已经足够准确地展现了这颗行星地貌的总体布局；但这样的地图依旧太过初级，展示的界线太过分明。毋庸置疑，图中的轮廓线是借鉴了当时被普遍接纳的观念，即火星上能看到海域，在这样的定义下，海洋与陆地的分界线应该是清晰明确的。对此，我们将根据现代观测站的巨型仪器所提供的信息，在后文中做进一步考察，因为在这一话题之前，我们必须指出，尽管在火星地貌的构成上人们持有不同见解，但这些观点不是一蹴而就的，我们目前可用的探测手段在用来获得各种新发现的同时，也为过去无数模糊瞥见或假设提供了佐证。

道斯绘制的三幅火星地图(www.xing528.com)

在经历了这几个阶段之后，人类才有了目前对火星的认知水平，因此我们有必要强调中间的过程，这也是为什么我们会对早期的火星观测成果如此长篇大论。此外，以上的阐述除了其自身的历史意义，还说明了一点：人们很快就倾向于认为火星是所有行星当中最像地球的星球。我们还应注意的是，这种相似性主要建立在我们看到的火星外貌上，且火星地图与地球上的地貌相对应，所以人们自然会联想到火星具有与地球类似的特点。在这中间，有各种因素起着作用：望远镜观测到的图像规模有限；光学领域的不完善使我们只能得到整体的大致轮廓，而微小的细节及其布局的复杂性无从得知。因此，那些大面积斑块自然可以被认出，但我们无法知道它们的结构特性。早期的火星观测活动引发了看上去相当合理的推测，同时这些观测让人们了解到火星上由暗斑和亮斑构成的永久性的地形轮廓；这一切都表明，我们发现的是火星多样化的真面目。基于这一观念——即使还有待完善——这颗行星所呈现的面貌并不像金星那般令人失望。理论上说，所有观测者看到的都是同样的细节，只是在这些有关构成火星地貌的细节的阐述上，不同的天文学家根据各自的描述和图形再现提出了无数多少有些对立的观点。此处我们依然要援引设备条件在其中扮演的角色，且地球大气层又添加了扰乱作用；除此之外，观测者的视力水平这一生理因素也非常重要。也许不受人为因素影响的摄像技术可以在一定程度上消除某些差别；但我们业已强调，通过摄影术获得的火星图像尺寸过小，能提供的信息依然有限，我们只能依靠眼睛直接观测火星呈现出的各种外貌乃至一切可能的细节。然而，即便火星的整体样貌看上去非常明显，但在严格对比不同作者画笔下的轮廓特点或浓淡色度后，我们就会发现所有人都各执一词，看似雷同的火星图远远没有那么多相似之处。当然，我们不是在讨论由自转导致的不同视角下火星外貌的差异，但实际上，球体的自转会使倾斜位置下的某个区域在被观测时产生变形，火星表面某个部分由于自转而连续出现在我们视野中的样子各不相同，这必然会导致各种不同的阐释。问题很快就来了：分歧的产生只是因为以上提到的偶然因素，还是因为实际因素，即火星地貌发生了真实的变动。另外，对于不同绘图呈现的变化，我们总是应该考虑到以下因素，即不同天文学家根据自己的理解，在图上呈现的变动程度也不一。

通过这些密集的观测活动，人类制成了第一张较为详尽的火星地图，这也是我们在目前的认知水平下绘制的火星地图的雏形，但上文所述的一切都促使我们要对这些观测结果重新审视。

普罗克特绘制的火星地图（1867年）

比较普罗克特于1867年绘制的火星地图与集成了现代观测手段所绘制的火星地图，可见人类在火星外貌的认知方面所取得的明显进步。

斯基亚帕雷利根据他从1877年至1888年的观测所绘制的火星地图

随着之后的观察条件不断完善，我们观测到的火星外观也越来越复杂，除了前文提到的塞奇、洛克耶和道斯的火星图，还有许多天文学家的绘图已经提供了相当令人满意的图像，以至于更现代的图像几乎只是用以补充细节的翻版。鉴于一直持续到现在的观测活动数量之庞大，本书不可能一一进行回顾，只有面面俱到的专著才敢有这样的抱负，我们在此仅仅试图从中提炼出最主要的部分。

首先，这些火星图的总体特点不是简单地呈现地形轮廓的布局，而是把火星表面明暗变化的差异摆到人们面前。我们下面就对火星地貌色彩的多样化这一特殊现象展开论述，但仅限于讨论浓淡色度之间的简单关系。我们发现，那些引人注目的暗斑颜色非常不均匀：一处的颜色极深，另一处呈中间色调或颜色明显变淡。这在一定程度上解释了为什么在不同观测条件下暗斑的外观与轮廓并不总是一一对应的。在火星研究史上最轰动一时的发现可以说就是火星运河了。我们已经看到，人类在早期比较详细的观测结果中就已发现了这种形态，直到斯基亚帕雷利在1877年和1879年证实了这种形态的大量存在，火星运河才名声大振。顾名思义，该形态的事物不是四散的斑点，而是成系统地遍布火星表面的某种网状物。

这一令人称奇的网络系统显示出某种惊人的几何规律，斯基亚帕雷利对其进行了细致研究并绘制了火星地形图，在当时没有哪幅火星图可与之在细节的丰富度和准确度方面一较高低。同时，对我们在上文中提到的早期对火星地貌的命名方式，斯基亚帕雷利代之以新的拉丁文术语系统——用地球上的地名以及神话中的地名来命名，之后新的火星发现也遵循了斯基亚帕雷利的命名方法，这套命名系统被沿用至今并不断壮大。

继斯基亚帕雷利之后，火星运河在全世界范围内被证实，甚至有的观测者发现了更多的火星运河，以至于有人认为火星的外观如网眼很密的发网那般复杂！此外，这些几何形的奇特线条引发了人们强烈的好奇心，因为某些时候火星运河成对出现，许多制图者将这样的运河外貌勾勒得犹如铁路的平行轨道。在这一点上，任何描述都不如借助天文望远镜观测来得有说服力……关于火星这种奇特的样貌，各家都费了无数笔墨展开讨论，火星也开始前所未有地声名大噪了起来，但我们不会在这个议题上停留太久，下文仅限于概述一些引人注目的事实。

这些分割火星表面的线条总体上非常精细，一开始它们被认为是十分规则的线条，因而在一些火星图上，我们能看到制图人用鸭嘴笔进行勾勒。有的运河更宽，也就更突出；有的还有明显的弯曲。总之，在面对一张火星外貌图时，我们不应忘记考虑球面会对视角产生的影响。我们还能发现，这些运河有时与不同色调区域之间的分界线重合，从而使得这些区域就像是被镶了边。

总之，我们从各种观测结果中可以看到，这些运河不只是在明亮区域上纵横交叉以沟通两片海域，它们还会在海面上继续延伸。此外，在运河的交叉点，甚至就在运河各自的轨迹上，人们注意到一些可能是湖泊的细小暗斑。所有这些细节，无论它们究竟代表的是什么，每次的可见度并不总是一样的，但它们似乎都经历过某些变动，然而观测者很难在一开始就断言变动真实存在，因为不论是观测显而易见的大面积暗斑，还是观测这些难辨的细节，任何影响精确性的因素都会导致不同的观测结果，但我们依旧认为，地貌变动的可能性不应被排除。

很长一段时间以来，火星运河激发了人们巨大却也合理的好奇心，但应当承认的是，火星运河之所以会被赋予特殊性，主要是因为当时的可见度堪忧。事实上，当我们后来能够运用一切现代光学资源研究火星运河时，就会发现它们完全丧失了神奇的几何规律，那些被认为是运河的轨迹，只是一种特殊的火星地貌沿着直线分布而已。由于光学手段的不足，大部分特殊环境只可被感知，眼睛无法一一分辨每个细小的斑点，所以才会觉得眼中合并在一块的模糊轮廓好像一条连续的条痕。在这一论题上，M.安东尼亚第借助巴黎默东天文台一架口径达83厘米的望远镜进行观测，并得出了火星运河只是错视这一确切结论。这一判断完全符合通过大型天文望远镜所能看到的火星图像——结构复杂、细节丰富，以至于我们往往不可能正确描绘出火星地貌的复杂性。

洛厄尔观测到的火星运河网呈几何状。

在这两幅火星图上，颜色深度不一的区域边缘有一些被形容为“运河”的痕迹。

由此可见，早期关于火星地貌本质的构想需要大量的修正，因为它们是建立在略显简单化的观测基础上的，这些在观测中显得均匀的地貌实际上结构十分多样。

火星运河的图解。笔直的条痕和暗斑（上图）是由或排成直线或聚集成团的细节在不完美的目力下形成的。

对于我们草草勾勒出的火星大体外貌，还应注意到的是它的极冠：白色调的极冠与周围以橘黄色为主色调，同时布满暗绿斑点的区域形成了鲜明对比。明亮的极冠非常容易辨认，因而很快得到了学界的承认。火星极冠的变化一直是各种研究的对象，这些研究为我们带来了有关行星天气情况和季节影响的宝贵信息。人类获知的数据不断累积，图像不断细化，所用手段的精度不断提高，这一切为各种各样的阐释提供了可能，而最新的解释为我们提供了另一种分析现象的角度。

M.安东尼亚第在默东天文台用一架口径为83厘米的大型望远镜进行观测后绘制的火星图

最后，火星除了这些特殊环境以及它经久不变的特性，还有其他地貌值得关注。我们已经指出人们对火星真实地形轮廓的改变或某些暗斑色调的变化所提出的某些猜测；一旦猜测被证实，我们就该承认这些变化是火星地表性质所固有的。人们还发现，有些变化是暂时性的，好像是有什么东西暂时挡在了我们眼前，遮住了火星上的细节。这些临时出现的现象只可能出自一个原因——大气；我们可以将这些现象类比为一些云状物盖住了大片可见区域：有些部分消失了，或者一些面积颇大的斑块明显变小了。有时无须出现临时性变化来揭露火星大气的存在，因为火星自己便呈现出被白色或浅黄的巨幅“面纱”覆盖的样貌。

我们看到，火星表面除了具有多样化的地形轮廓，还以它多变的面貌向我们表明了大气层的存在。而在目前勘探允许的范围内，我们多少发现了火星大气的变动，我们将进一步探讨这个论题，且火星上是否存在水也与之密切相关。大气和水对认知这颗星球的物理条件至关重要。

过去人们相信火星两极被大量冰川和浮冰所覆盖，这些地带呈现的大概就是图中这样的样貌。