火星的前世今生

赵宇鴳

火星的公转轨道和四季变化

火星也有四季变化

火星的自转轴倾角是25.19°，因此火星也有四季变化。

在火星科学中，用“Ls”来标注火星的季节。Ls=0、Ls=90°、Ls=180°和Ls=270°分别对应了火星北半球的春分、夏至、秋分和冬至。因为火星的公转轨道是椭圆形的，所以轨道上有两个点分别距离太阳最近（近日点）和最远（远日点）。当火星在远日点（Ls=70°）附近移动时，正值北半球的夏天，运移速度比较慢;在近日点（Ls=250°）附近移动时，正值北半球的冬天，运移速度比较快。因此北半球的春夏比秋冬长75个火星日。南半球正好相反，春夏短、秋冬长。另外，火星在近日点获得的太阳辐照远高于远日点，因此对南半球而言，夏天短但更炎热，冬天长且更寒冷，季节变化比北半球更加剧烈。

模型推测火星自转轴倾角变化时火星气候和环境的变化

火星季节的长度和强度以万年至百万年的周期不断变化。虽然现在的南半球春夏短而热，但在25000年前，情况却相反。火星的自转轴倾角在15°-34°之间，平均为24°，变化周期大约为12万年。当倾角变小，极地冰雪会延伸至中低纬度;若倾角变大，太阳会直射极地，冰雪反而会在低纬度甚至赤道地区聚集（如下图所示）。既然自转轴倾角会对火星的气候和环境产生如此戏剧性的影响，那它在火星的历史上是如何变化的呢？回答这个问题并不容易。目前，我们可以较好地推测在距今一百万至一千万年间，火星自转轴倾角发生过很大的变化，但再向前推就非常困难了。

南北二分性

火星呈现全球性的南北二分性。

火星地形图和特征地貌。黑线描绘了南北二分性的边界

在地形和火星壳厚度上，南方地势高，火星壳较厚;北方地势低，火星壳较薄。二分性分界线上还分布着许多河道，显示出南方高地向北方低地的物质输送。在年龄上，南方高地遍布密密麻麻的撞击坑，北方低地表面相对平滑。这些撞击坑就像行星表面的“计时器”，撞击坑越大且越密集就代表越古老。以此推断，南方高地较为古老，北方低地较为年轻。进一步的遥感观测发现，北方低地表面普遍覆蓋着一层1～2千米厚的堆积物，它们源自附近的火山和南方高地输送的物质。在表层的堆积物之下，北方低地的基岩上也同样密布撞击坑，以这些被埋藏的撞击坑回溯，北方低地的形成时间大约在40亿年前。

延伸阅读

在地形上，火星拥有很多太阳系之最。奥林帕斯山（Olympus Mons）高约22千米，是太阳系最大的盾状火山，也是太阳系行星上最高的山峰。在它的旁边，还整齐排列着“三颗纽扣”——由东北至西南分别为艾斯克雷尔斯火山（Ascraeus Mons）、帕沃尼斯火山（Pavonis Mons）和阿西亚火山（Arsia Mons）。这几座大型盾状火山都属于萨希斯大火山省（Tharsis）。大约从3了亿年前开始，巨大的萨希斯隆起抬升并持续了好几亿年。萨希斯的隆起还造成了邻近区域的破裂，形成了太阳系中最大的峡谷之一——水手大峡谷。水手大峡谷延绵超过4000千米，宽达200千米，最深处可达10千米。此外，火星还拥有太阳系第四大撞击坑一海拉斯盆地（Hellas Planitia），盆地直径约2300千米，深约7152米。

火星标志性地貌。①萨希斯大火山省的四座大型盾状火山;②奥林帕斯山;③水手大峡谷

与水作用有关的地形地貌特征。①由北卡塞河道和卡塞峡谷两条河道组成的卡塞谷外流河道系统;②埃伯斯瓦尔德撞击坑内的三角洲;③斜坡上可能由降雨形成的冲沟

火星车着陆点探测到的沉积岩、堆积物和蒸发盐

火星壳中记录的剩磁同样呈现南北二分性。现在的火星已没有内生磁场，但在大约41亿年前，火星的内核发电机曾经活动过，并被火星表面的矿物记录下来。但奇怪的是，目前探测到的剩磁信号主要集中在南方高地。关于北方低地为何缺乏剩磁信号，主要有两种假说，一种认为当低地形成时，磁场发电机已经停止了活动，火星的全球性内禀磁场已经消失;另一种假说则认为，火星磁场发电机原本就只产生了覆盖半个火星的磁场。中国火星车即将在北方低地开展的探测将帮助解答这个问题。

火星古气候假说