火星大气无法像金星大气那样能够被直接观测到。就太阳光照而言，火星与金星的情况完全相反，并且太阳光通过大气层内部的折射和散射对它们产生的明亮效果也不同。
因此，揭露火星大气，要么让大气通过其暂时的浑浊状态使自身的存在变得明显，要么通过它对火星地表造成的影响——若不援引大气的介入这层原因，我们很难解释火星地貌的变动，要么借助光谱分析的结果或者放射线拍摄的照片。尽管我们这次并不用面对巨大的分歧，但天文学家在大气的观测结果和阐释方面还是莫衷一是，这也催生了各种假说，而最新的假说与过去一直被人们所接纳的观点几乎毫无一致之处。人们争论的并非火星上有没有大气，而是关于火星大气的体量及其构成。
我们必须承认，是W.赫歇尔在针对极冠变化的观测中最早发现了火星大气的存在；极冠在火星的冬季增大，随着夏天的逼近而减小，就像融化了一般，对它的成因的最佳说法——可能也没有其他更好的了——是雪或冰在极地沉积(1)。也就是说，这一现象直接向我们展示了水蒸气循环和冷凝的结果。
之后的所有观测活动都证实了极冠会随着季节变化，且变化的范围极大——在冬季，这层白色覆盖物可以从极地一直延伸到纬度30度的地方，就好像地球北极的雪壳和冰块穿过不列颠群岛北部的纬线，一直扩张到整个北欧。另外，这层覆盖物一到夏季又会消失得几乎什么也不剩，这意味着中间发生过极为显著的反应，且南北两极的反应程度并不完全一样。
我们以上所说的极冠现象主要发生在火星的南半球，而在火星的北极，冬天极冠的范围要略微小一些，夏天极冠也融化得不那么完全。这与季节更替机制相符，因为当南半球处于冬至日时，火星运行到了距离太阳最远的地方，夏至日时又距离太阳最近，因此极冠的变化规模要比北半球的更加明显——北半球反而在夏天到来时离太阳最远，冬天到来时距日最近。
除了这些物理环境，火星自身的地表条件也介入了极冠变化的过程并影响其规模。比如，某些区域的地表和状态似乎会加快白色覆盖物的消失，其他表面则能够抑制极冠消散。至于其中的确切原因，人们依旧很难达成一致意见。
然而，通过现代观测，我们发现，火星极地似乎不像地球极地那样沉积了那么多的冰块和浮冰。我们能够确定的是，火星上的这片白色不如地球两极的冰雪覆盖得那么完全，甚至有些地方的白色覆盖物像变脏了似的大量消减，或者换一种说法，火星极冠并不完全是连续性的。这种样貌的产生可能是由于白色覆盖物的数量还不足以遮住整个地面，才使地表浮现无数暗斑；雪的厚度或冰霜沉积厚度的不足也许是对此番景象的最好解释。
火星极冠变化示意图。左栏是巴纳德在利克天文台的观测结果，右栏是弗拉马里翁和安东尼亚第在朱维西天文台的观测结果。 图上日期翻译：1894年5月21日；1894年7月29日；1894年8月13日；1894年10月7日；1894年11月12日；1900年10月23日；1901年1月14日；1901年3月22日；1901年5月19日；1901年7月6日
根据我们目前对火星的认知，极地的白色可能是不完全覆盖地表的一层薄薄的雪或霜的沉淀物。
所有这些不可否认的事实的存在前提有力证实了火星大气的存在，大气正是产生上述现象的首要原因，但在某种程度上这只是间接的证据，我们现在应当研究这层大气是否可以通过其构成中的浑浊物质，或者至少通过它对我们的观察视线所造成的影响而显露自身。恰好，我们已经搜集到了这类证据。总体来说，大气层多少会遮盖火星表面隐蔽的细节，这便解释了为什么在一些特定的时期里，同一个区域的地貌会呈现出某些不一致的地方，此处自然不考虑由于不同观测者的不同判断而不可避免产生的意见分歧，最重要的是关注那些有实证的言论。在早期对火星大气的观测中，塞奇神父于1858年声称看到了泛白的云雾，并认为这是火星大流沙地带上方的卷云。后来人们又在其他不同的区域观测到了类似的物质，有时甚至是一大片地域完全被白色所遮蔽。另外，在紫外线下拍摄的照片揭示出不断变幻的白色地貌，但这些对比鲜明的云雾和斑块光靠肉眼完全无法分辨。上述记录在案的发现再现了火星大气的整体状态，因而意义重大。
图为地球上的山地景观。大片的白色是层层积雪以及覆盖在凹凸不平的地面上的沉积的冰霜。此图可以用来对比和解释火星极冠的特点。
紫外线摄影可以暴露我们肉眼看不见的火星大气和白色云团。——赖特摄（利克天文台）
火星部分表面布满了云团。勃伊迪克于1881年12月20日绘制。(www.xing528.com)
由于云团的海拔高度，在火星相位的明暗界线上会出现凸起的亮点。基勒于1890年7月6日绘制。
火星上的大气运动与地球上的云雾类似，然而我们不能明确指出它们是否是类型相似的物质，因为火星大气中还有其他更特殊的浑浊物质。过去人们认为，火星的橙色外观是它的大气层造成的。我们不会这样一概而论，但应当考虑大气的存在对火星颜色的影响，或者更确切地说，可能会使火星从黄色向淡红色转变。上世纪末，许多天文观测者都隐约看到了这种现象，M.安东尼亚第通过细致的研究证实了前人的这一发现，他确定这些显而易见的泛着白色的云团一直都在高频出现。这层有色“面纱”可能散布在极为广阔的区域上方，甚至偶尔会让一些地貌的细节消失在我们的视线中，或者改变地表不同部分的色调，亦或给极冠也染上一层浅色。此外，M.安东尼亚第还发现，这类现象多发于火星靠近近日点的时候，也就是火星上的太阳辐射强度达到最大的时候。基于这些条件，人们自然会认为上述现象的产生是由于气候的变动。最新的观测结果所提供的解释看起来最为合理：实际上每年在这段时间内，强风都会使火星沙漠的尘土扬起，由此造成了我们看到的有色云团。我们将在后文对火星沙漠展开论述。基于这一合理假说，各种观点都认同这是浑浊的沙尘在起作用，它们似乎比白色物质更贴近地面，而那层白色的“面纱”在本质上与地球大气中形成的云雾类似(2)。
一些观测结果向我们提供了大气高度的相关数据。有时我们会看到火星相位的明暗界线上凸起一些白色的斑点，有的斑点甚至完全游离出界线，就像我们会看到月球上一些被照亮的山峰出现在晨昏线之外。有不少天文学家，比如基勒和道格拉斯就分别在1890年和1900年指出过这些特殊情况，M.安东尼亚第则频繁观测到这类现象并提供了更多的细节。根据不同情况估算，火星云团已探知的海拔高度为8千米到24千米，比地球上云层的平均海拔还要高。研究还在继续，必然会逐步完善这些数值，并为我们带来有关火星大气内各种现象的有用信息；虽然对这背后的原因我们还不能得出明确的推论，但我们所观测到的现象揭示了浑浊物质形成于极高海拔这一明显事实。这一事实与火星大气密度减小和不断扩张并不矛盾，因为它们都与火星上微弱的重力有关。
下面我们将考察的是火星大气层的质量。我们会看到，在这个问题上，人们的观点逐渐发生着明显的转变。很长时间以来，人们都认同火星大气层几乎在各个方面都与地球大气层非常相像，早期的光谱学观测认为，火星大气包含相当大比例的水蒸气，这符合火星上存在着广阔海域和大洋这一假说以及极冠扩张现象。那时人们也认同，火星大气的组成成分与地球上的大气极为相似，但是人们发现，通常情况下火星的大气是透明的，因为我们前文所述的这层“面纱”呈白色云团状大量浮在高处的情况实际上非常罕见。这种相对罕见性更符合现代的研究结果，现代观测结合光谱分析以及对火星表面的直接观测，认为火星大气的体量远远小于地球大气，但关于火星大气的确切密度以及成分，人们还是各执一词。
事实上，尤其是在美洲进行的最新研究中，一部分天文学家试图证明火星大气中的水蒸气含量达5%，但另一部分研究结果认为，水这种成分在火星大气中的比例并不可观，有些观测结果甚至似乎完全否定了火星上水的存在。
同样与早期观念相左的是，现代基础知识告诉我们，如果火星大气中存在氧气，那么氧气的比例最大也只有地球上氧气比例的1/1000；当然也有其他不同的观测结果，比如亚当斯和圣-约翰在威尔逊山研究得出，火星大气中的氧气比例为16%。尽管应该对所有这些数值的准确度持保留态度，但我们不得不承认，从所有对大气层的观测结果来看，火星并不像我们一开始相信的那样是地球的翻版(3)。针对上述不同的观点，人们展开了对火星地貌特殊环境的深入研究，甚至在光谱研究得出结论之前，人们对火星地貌的结构及其轮廓或颜色发生的无可辩驳的变化的认知，已经抛弃了早先的观念即火星上存在大片海域，反而认同火星上只存在数量有限且几乎无迹可寻的水。
我们应当重视这些针对火星世界的观念和假说的演变。
地球上的云团T与火星上观测到的团状物M二者的高度对比
由于火星上空的云团浮于高海拔的位置上，在日落后的很长时间内云团依旧能被太阳照亮，所以它们能在深夜里闪闪发光。
(1) 根据NASA的研究，火星极冠主要还是由水冰组成，其表面则会随季节变化而形成干冰层。
(2) 火星上气候变化十分强烈，时常发生尘暴，有些大尘暴可产生尘埃云，持续数月之久，特大尘暴甚至可覆盖整个火星。
(3) 现测定火星大气成分主要为二氧化碳（95%）、氮气（3%）和氩气（1.6%），还有极少的氧气、水蒸气等。
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