Sao Hỏa

Đặc tính vật lý

Bán kính của Sao Hỏa xấp xỉ bằng một nửa bán kính của Trái Đất. Tỷ trọng của nó nhỏ hơn của Trái Đất, với thể tích chỉ bằng 15% thể tích Trái Đất và khối lượng chỉ bằng 11%. Diện tích bề mặt của hành tinh đỏ chỉ hơi nhỏ hơn tổng diện tích đất liền trên Trái Đất. Trong khi Sao Hỏa có đường kính và khối lượng lớn hơn Sao Thủy, nhưng Sao Thủy lại có tỷ trọng cao hơn. Điều này làm cho hai hành tinh có giá trị gia tốc hấp dẫn tại bề mặt gần bằng nhau-của Sao Hỏa chỉ lớn hơn có 1%. Sao Hỏa cũng là hành tinh có giá trị kích thước, khối lượng và gia tốc hấp dẫn bề mặt ở giữa khi so với Trái Đất và Mặt Trăng (Mặt Trăng có đường kính bằng một nửa của Sao Hỏa, trong khi Trái Đất có đường kính gấp đôi Hỏa Tinh; Trái Đất có khối lượng gấp chín lần khối lượng Sao Hỏa trong khi Mặt Trăng có khối lượng chỉ bằng một phần chín so với Hỏa Tinh). Màu sắc vàng cam của bề mặt Sao Hỏa là do lớp phủ chứa sắt(III) ôxít, thường được gọi là hematit, hay rỉ sét.

Chỏm băng ở các cực

Sao Hỏa có hai chỏm băng vĩnh cửu ở các cực. Khi mùa đông tràn đến một cực, chỏm băng liên tục nằm trong bóng tối, bề mặt bị đông lạnh và gây ra sự tích tụ của 25–30% bầu khí quyển thành những phiến băng khô CO₂. Khi vùng cực chuyển sang mùa hè, các chỏm băng bị ánh sáng Mặt Trời chiếu liên tục, băng khô CO₂ thăng hoa, dẫn đến những cơn gió khổng lồ quét qua vùng cực với tốc độ 400 km/h. Những hoạt động theo mùa này đã vận chuyển lượng lớn bụi và hơi nước, tạo ra những đám mây ti lớn, băng giá giống như trên Trái Đất. Những đám mây băng giá này đã được robot Opportunity chụp vào năm 2004.
Hai chỏm băng ở cực chứa chủ yếu nước đóng băng. Cacbon điôxít đóng băng thành một lớp tương đối mỏng dày khoảng 1 mét trên bề mặt chỏm băng cực bắc chỉ trong thời gian mùa đông, trong khi chỏm băng cực nam có lớp băng khô cacbon điôxít vĩnh cửu dày tới 8 mét. Chỏm băng cực bắc có đường kính khoảng 1.000 kilômét trong thời gian mùa hè ở bán cầu bắc Sao Hỏa, và chứa khoảng 1,6 triệu km khối băng, và nếu trải đều ra thì chỏm băng này dày khoảng 2 km. (Lớp phủ băng ở Greenland có thể tích khoảng 2,85 triệu km³.) Chỏm băng cực nam có đường kính khoảng 350 km và dày tới 3 km. Tổng thể tích của chỏm băng cực nam cộng với lượng băng tàng trữ ở những lớp kế tiếp ước lượng vào khoảng 1,6 triệu km³. Cả hai cực có những rãnh băng hà hình xoắn ốc, mà các nhà khoa học cho là được hình thành từ sự nhận được lượng nhiệt Mặt Trời khác nhau theo từng nơi, kết hợp với sự thăng hoa của băng và tích tụ của hơi nước.
Sự đóng băng theo mùa ở một số vùng gần chỏm băng cực nam làm hình thành một lớp băng khô (hoặc tấm) trong suốt dày 1 mét trên bề mặt. Khi mùa xuân đến, những vùng này ấm dần lên, áp suất được tạo ra ở dưới lớp băng khô do sự thăng hoa của CO₂, đẩy lớp này căng lên và cuối cùng phá bung nó ra. Điều này dẫn đến sự hình thành những mạch phun trên Sao Hỏa ở cực nam (Martian geyser) chứa hỗn hợp khí CO₂ với bụi hoặc cát bazan đen. Quá trình này diễn ra nhanh chóng, được quan sát từ các tàu quỹ đạo trong không gian với tốc độ thay đổi chỉ diễn ra trong vài ngày, tuần hoặc tháng, một tốc độ rất nhanh so với các hiện tượng địa chất khác—đặc biệt đối với Sao Hỏa. Ánh sáng Mặt Trời xuyên qua lớp băng khô trong suốt, làm ấm lớp vật liệu tối ở bên dưới, tạo ra áp suất đẩy khí lên tới 161 km/h qua những vị trí băng mỏng. Bên dưới những phiến băng, khí cũng làm xói mòn nền đất, giật những hạt cát lỏng lẻo và tạo ra những hình thù giống mạng nhện bên dưới lớp băng.

Địa hình va chạm

Địa hình Sao Hỏa có hai điểm khác biệt rõ rệt: những vùng đồng bằng bắc bán cầu bằng phẳng do tác động của dòng chảy dung nham ngược hẳn với vùng cao nguyên, những hố va chạm cổ ở bán cầu nam. Một nghiên cứu năm 2008 cho thấy chứng cứ ủng hộ lý thuyết đề xuất năm 1980 rằng, khoảng bốn tỷ năm trước, bán cầu bắc của Sao Hỏa đã bị một thiên thể kích cỡ một phần mười đến một phần ba Mặt Trăng đâm vào. Nếu điều này đúng, bán cầu bắc Sao Hỏa sẽ có một hố va chạm với chiều dài tới 10.600 km và rộng tới 8.500 km, hay gần bằng diện tích của châu Âu, châu Á và lục địa Australia cộng lại, và hố va chạm này sẽ vượt qua lòng chảo cực nam Aitken, được coi là lòng chảo va chạm lớn nhất trong hệ Mặt Trời hiện nay.
Bề mặt Sao Hỏa có rất nhiều hố va chạm: có khoảng 43.000 hố với đường kính lớn hơn hoặc bằng 5 km đã được phát hiện. Hố lớn nhất được công nhận là lòng chảo va chạm Hellas, với đặc trưng suất phản chiếu hình học có thể nhìn thấy rõ từ Trái Đất. Do Sao Hỏa có kích thước và khối lượng nhỏ hơn, nên xác suất để một vật thể va chạm vào Hỏa Tinh bằng khoảng một nửa so với Trái Đất. Sao Hỏa nằm gần vành đai tiểu hành tinh hơn, nên khả năng nó bị những vật thể từ nơi này va chạm vào là cao hơn. Hành tinh đỏ cũng bị các sao chổi chu kỳ ngắn va vào với khả năng lớn, do những sao chổi này nằm gần bên trong quỹ đạo của Sao Mộc. Mặc dù vậy, hố va chạm trên Sao Hỏa vẫn ít hơn nhiều so với trên Mặt Trăng, do bầu khí quyển mỏng của nó cũng có tác dụng bảo vệ những thiên thạch nhỏ chạm tới bề mặt. Một số hố va chạm có hình thái gợi ra rằng chúng bị ẩm ướt sau một thời gian thiên thạch va chạm xuống bề mặt.

Những vùng kiến tạo

Núi lửa hình khiên Olympus Mons có chiều cao tới 27 km và là ngọn núi cao nhất trong hệ Mặt Trời. Nó là ngọn núi lửa đã tắt nằm trong vùng cao nguyên rộng lớn Tharsis, vùng này cũng chứa một vài ngọn núi lửa lớn khác. Olympus Mons cao gấp ba lần núi Everest, với chiều cao trên 8,8 km. Cũng chú ý rằng, ngoài những hoạt động kiến tạo, kích thước của hành tinh cũng giới hạn cho chiều cao của những ngọn núi trên bề mặt của nó.
Hẻm vực lớn Valles Marineris (tiếng Latin của  thung lũng Mariner, hay còn gọi là Agathadaemon trong những tấm bản đồ kênh đào Sao Hỏa cũ), có chiều dài tới 4.000 km và độ sâu khoảng 7 km. Chiều dài của Valles Marineris tương đương với chiều dài của châu Âu và chiếm tới một phần năm chu vi của Sao Hỏa. Hẻm núi Grand Canyon trên Trái Đất có chiều dài 446 km và sâu gần 2 km. Valles Marineris được hình thành là do sự trồi lên của vùng cao nguyên Tharsis làm cho lớp vỏ hành tinh ở vùng Valles Marineris bị tách giãn và sụt xuống. Một hẻm vực lớn khác là Ma'adim Vallis (Ma'adim trong tiếng Hebrew là Sao Hỏa). Nó dài 700 km và bề rộng cũng lớn hơn Grand Canyon với chiều rộng 20 km và độ sâu 2 km ở một số vị trí. Trong quá khứ Ma'adim Vallis có thể đã bị ngập bởi nước lũ.

Hang động

Ảnh chụp từ thiết bị THEMIS trên tàu Mars Odyssey của NASA cho thấy khả năng có tới 7 cửa hang động trên sườn núi lửa Arsia Mons. Những hang này được đặt tên tạm thời theo những người phát hiện ra nó đôi khi còn được gọi là "bảy chị em." Cửa vào hang có bề rộng từ 100 m tới 252 m và chiều sâu ít nhất từ 73 m tới 96 m. Bởi vì ánh sáng không thể chiếu tới đáy của hầu hết các hang, do vậy các nhà thiên văn cho rằng thực tế chúng có chiều sâu lớn hơn và rộng hơn ở trong hang so với giá trị ước lượng. Hang "Dena" là một ngoại lệ; có thể quan sát thấy đáy của nó và vì vậy chiều sâu của nó bằng 130 m. Bên trong những hang này có thể giúp tránh khỏi tác động từ những thiên thạch nhỏ, bức xạ cực tím, gió Mặt Trời và những tia vũ trụ năng lượng cao bắn phá xuống hành tinh đỏ.

Các phi vụ trong quá khứ

Chuyến bay ngang qua Sao Hỏa thành công đầu tiên bởi tàu Mariner 4 của NASA vào ngày 14–15 tháng 7 năm 1965. Ngày 14 tháng 11 năm 1971 tàu Mariner 9 trở thành tàu không gian đầu tiên quay quanh một hành tinh khác khi nó đi vào quỹ đạo quanh Sao Hỏa. Con tàu đầu tiên đổ bộ thành công xuống bề mặt là hai tàu của Liên Xô: Mars 2 vào ngày 27 tháng 11 và Mars 3 vào ngày 2 tháng 12 năm 1971, nhưng cả hai đã bị mất tín hiệu liên lạc chỉ vài giây sau khi đổ bộ thành công. Năm 1975 NASA triển khai chương trình Viking bao gồm hai tàu quỹ đạo, mỗi tàu có một thiết bị đổ bộ; và cả hai đã đổ bộ thành công vào năm 1976. Tàu quỹ đạo Viking 1 còn hoạt động tiếp được 6 năm, trong khi Viking 2 hoạt động được 3 năm. Các thiết bị đổ bộ đã gửi bức ảnh màu toàn cảnh tại vị trí đổ bộ về Sao Hỏa và hai tàu quỹ đạo đã chụp ảnh bề mặt hành tinh mà vẫn còn được sử dụng cho tới ngày nay.
Tàu thám hiểm của Liên Xô Phobos 1 và 2 được gửi đến Sao Hỏa năm 1988 nhằm nghiên cứu hành tinh và hai vệ tinh của nó. Phobos 1 bị mất liên lạc trong hành trình đến Sao Hỏa còn Phobos 2 đã thành công khi chụp ảnh được Sao Hỏa và vệ tinh Phobos nhưng đã không thành công khi gửi thiết bị đổ bộ xuống bề mặt Phobos.
Sau thất bại của tàu quỹ đạo Mars Observer vào năm 1992, tàu Mars Global Surveyor của NASA đã đi vào quỹ đạo hành tinh này năm 1997. Phi vụ này đã thành công và kết thúc nhiệm vụ chính là vẽ bản đồ vào đầu năm 2001. Trong chương trình mở rộng lần thứ 3, con tàu này đã bị mất liên lạc vào tháng 11 năm 2006, tổng cộng nó đã hoạt động tới 10 năm trong không gian. Tàu quỹ đạo Mars Pathfinder của NASA, mang theo một robot thám hiểm là Sojourner, đã đổ bộ xuống thung lũng Ares Vallis vào mùa hè năm 1997, và gửi về nhiều bức ảnh giá trị.
Tàu đổ bộ Phoenix đã hạ cánh xuống vùng cực bắc Sao Hỏa vào ngày 25 tháng 5 năm 2008. Cánh tay robot của nó được sử dụng để đào đất và sự có mặt của băng nước đã được xác nhận vào ngày 20 tháng 6. Phi vụ này kết thúc vào ngày 10 tháng 11 năm 2008 sau khi liên lạc với tàu thất bại.
Tháng 11 năm 2011, phi vụ Fobos-Grunt và Huỳnh Hỏa 1 được phóng lên trong chương trình hợp tác giữa Liên bang Nga và Trung Quốc. Nhưng tàu Fobos-Grunt đã không khởi động được động cơ đẩy sau khi nó được phóng lên quỹ đạo quanh Trái Đất. Fobos-Grunt là phi vụ gửi một tàu quỹ đạo đến Sao Hỏa đồng thời phóng một thiết bị đổ bộ xuống vệ tinh Phobos nhằm thu thập mẫu đất đá sau đó gửi về Trái Đất. Các nhà khoa học Nga đã không thể liên lạc được với tàu và khả năng con tàu sẽ rơi trở lại Trái Đất vào tháng 1 năm 2012.

Các phi vụ trong tương lai

Năm 2018 cơ quan ESA có kế hoạch phóng robot tự hành đầu tiên của họ lên hành tinh này; robot ExoMars có khả năng khoan sâu 2 m vào đất nhằm tìm kiếm các phân tử hữu cơ.
NASA sẽ gửi robot đổ bộ InSight dựa trên thiết kế tàu đổ bộ Phoenix nhằm nghiên cứu cấu trúc sâu bên trong Sao Hỏa vào năm 2016.
Năm 2020, một robot tự hành có thiết kế tương tự như Curiosity sẽ được phóng lên nhằm mục đích tiếp tục nghiên cứu hành tinh này của cơ quan NASA.
Chương trình MetNet hợp tác giữa Phần Lan-Nga sẽ gửi một tàu quỹ đạo nhằm nghiên cứu cấu trúc khí quyển, khí tượng hành tinh đồng thời nó sẽ gửi một thiết bị nhỏ xuống bề mặt hành tinh.

Quan sát Sao Hỏa

Bởi vì quỹ đạo Sao Hỏa có độ lệch tâm đáng kể cho nên độ sáng biểu kiến của nó ở vị trí xung đối với Mặt Trời có thể thay đổi trong khoảng −3,0 đến −1,4. Độ sáng nhỏ nhất của nó tương ứng với cấp sao +1,6 khi hành tinh ở vị trí giao hội với Mặt Trời. Sao Hỏa khi quan sát qua kính thiên văn nhỏ thường hiện lên có màu vàng, cam hay đỏ nâu; trong khi màu sắc thực sự của Sao Hỏa gần với màu bơ, và màu đỏ là do khí quyển Sao Hỏa chứa rất nhiều bụi; bên dưới là bức ảnh mà robot Spirit chụp được trên Sao Hỏa với màu nâu-xanh nhạt, màu bùn với những tảng đá xám-xanh và cát màu đỏ nhạt. Khi hành tinh hướng về phía gần Mặt Trời, nó sẽ rất khó quan sát trong một vài tháng bởi ánh sáng mạnh của Mặt Trời. Ở những thời điểm thích hợp—khoảng thời gian 15 hoặc 17 năm, và luôn luôn là giữa cuối tháng 7 cho đến tháng 9—có thể quan sát những chi tiết trên bề mặt Sao Hỏa qua kính thiên văn nghiệp dư. Thậm chí đối với các kính thiên văn độ phóng đại nhỏ, vẫn có thể quan sát thấy các chỏm băng ở cực.
Khi Sao Hỏa tiến gần vào vị trí xung đối nó bắt đầu vào giai đoạn của chuyển động nghịch hành biểu kiến khi quan sát từ Trái Đất, có nghĩa là nó dường như di chuyển ngược lại thành vòng tròn trên nền bầu trời. Khoảng thời gian diễn ra chuyển động nghịch hành trong khoảng 72 ngày và Sao Hỏa đạt đến độ sáng biểu kiến cực đại vào giữa giai đoạn này.

Gần tương đối

Khi Sao Hỏa ở gần vị trí xung đối với Mặt Trời thì đây là thời điểm hành tinh nằm gần với Trái Đất nhất. Giai đoạn xung đối có thể kéo dài trong khoảng 8½ ngày xung quanh thời điểm hai hành tinh nằm gần nhau. Khoảng cách lúc hai hành tinh tiếp cận gần nhau nhất có thể thay đổi trong khoảng từ 54 đến 103 triệu km do quỹ đạo của hai hành tinh có hình elip, và do đó cũng làm thay đổi đường kính góc của Sao Hỏa khi nhìn từ Trái Đất. Lần xung đối gần đây nhất (2011) diễn ra vào ngày 29 tháng 1 năm 2010. Lần tiếp theo sẽ xảy ra vào ngày 3 tháng 3 năm 2012 ở khoảng cách khoảng 100 triệu km. Thời gian trung bình giữa hai lần xung đối, hay chu kỳ giao hội của hành tinh, là 780 ngày nhưng số ngày chính xác giữa hai lần xung đối kế tiếp có thể thay đổi từ 764 đến 812 ngày.
Khi Hỏa Tinh vào thời kỳ xung đối nó cũng bắt đầu vào giai đoạn chuyển động biểu kiến nghịch hành với thời gian khoảng 72 ngày.

Lần tiếp cận gần nhất

Sao Hỏa nằm gần Trái Đất nhất trong vòng khoảng 60.000 năm qua là vào thời điểm 9:51:13 UT ở khoảng cách 55.758.006 km (0,372719 AU), độ sáng biểu kiến đạt −2,88. Thời điểm này xảy ra khi Sao Hỏa đã vào ở vị trí xung đối được một ngày và khoảng ba ngày từ cận điểm quỹ đạo làm cho Sao Hỏa dễ dàng nhìn thấy từ Trái Đất. Lần cuối hành tinh đỏ nằm gần nhất với Trái Đất được ước tính đã diễn ra vào ngày 12 tháng 9 năm 57.617 trước Công nguyên, lần tiếp theo được ước tính diễn ra vào năm 2287. Kỷ lục tiếp cận gần nhất năm 2003 chỉ hơi bé hơn so với một số lần tiếp cận gần nhất trong thời gian gần đây. Ví dụ, khoảng cách nhỏ nhất giữa hai hành tinh xảy ra vào ngày 22 tháng 8 năm 1924 là 0,37285 AU, và vào ngày 24 tháng 8 năm 2208 sẽ là 0,37279 AU.
Trong năm 2003, và những năm sau, đã có một trò chơi khăm phát tán trên internet nói rằng năm 2003 Sao Hỏa sẽ nằm gần Trái Đất nhất trong hàng nghìn năm qua và nó sẽ hiện lên to như Mặt Trăng trên bầu trời.