火星觀測史

**火星觀測歷史**是關於火星觀測記錄在冊的歷史。 早期的火星觀測記錄可以追溯到公元前兩千年古埃及天文學家的時代。 中國關於火星運動的記錄出現在周朝建立之前 (公元前 1045 年)。 巴比倫天文學家對火星的位置進行了詳細的觀測，他們發明了算術技術來預測火星的未來位置。 古希臘哲學家和天文學家發明了地心說來解釋行星的運動。 在古希臘和古印度文獻中可以找到對火星角直徑的測量相關記載。 16 世紀，尼古拉・哥白尼提出了太陽系的日心說，這個模型提出行星沿著環繞太陽的圓形軌道運行。 約翰內斯・克卜勒對此進行了修正，得出了一條更符合觀測數據的火星橢圓軌道。

1610 年伽利略第一次用望遠鏡觀測火星。 在一個世紀內，天文學家發現了這顆行星上明顯的反照率特徵，包括黑色的大瑟提斯高原和極地冰蓋。 他們能夠確定行星的自轉周期和軸向傾斜。 這些觀測主要是在火星與太陽處於相對位置的時間間隔內進行的，在這個時間間隔內，地球離火星最近。19 世紀早期發明的高級望遠鏡使得人們能夠詳細繪製火星永恆的反照率特徵。1840 年 第一張粗略的火星地圖出版，1877 年之後繪製出了更精確的地圖。 當天文學家誤以為他們已經探測到了火星大氣層上水的光譜特徵時，火星上存在生命的說法逐漸流行起來。 珀西瓦爾・洛厄爾相信他可以看到一個人造火星運河。 這些線性特徵後來被證明是視錯覺，大氣層太薄，不具備類似地球的行星適居性。

自 19 世紀 70 年代以來，人們就觀測到了火星上的黃色雲層，歐仁・米歇爾・安東尼亞第認為這些雲層是被風吹起的沙子或塵埃。 20 世紀 20 年代，測量出了火星表面溫度從 -85 到 7 攝氏度 (- 121 到 45 華氏度)。 並且大氣層是乾旱的，只有微量的氧氣和水。 1947 年，傑拉德・柯伊伯發現薄薄的火星大氣層星雲中含有大量的二氧化碳，大約是地球大氣中二氧化碳含量的兩倍。 火星反照率特徵是在 1960 年由國際天文聯會第一次正式命名。 自 20 世紀 60 年代以來，已經發射了多枚機器人太空飛行器從運行軌道和火星表面探測火星。 這顆行星一直在地面和太空儀器大範圍的電磁波譜的監視之下。 通過在地球上發現的火星隕石，實驗室能夠對火星的化學條件進行研究。

1590 年 10 月 13 日，德國天文學家梅斯特林觀察到金星掩星火星。 他的一個學生，約翰內斯・克卜勒，很快成為哥白尼體系的信徒。 完成學業後，克卜勒成為丹麥貴族和天文學家第谷・布拉赫的助手。 隨著獲得第谷詳細的火星觀測資料的許可，克卜勒開始著手用數學方法組裝一個替代普爾滕尼克表。 在多次未能按照哥白尼學說的要求將火星的運動適應到一個圓形軌道之後，他成功地將第谷的觀察結果進行了匹配，假設軌道是一個橢圓，而太陽位於其中一個焦點上。 他的模型成為克卜勒行星運動定律的基礎，這些定律在他的多卷本著作《天文學縮影》(Epitome Astronomiae Copernicanae) 中發表於 1615 年至 1621 年間。

## 早期望遠鏡觀測

在火星最接近地球的時候，它的角直徑是 25 角秒 (度的單位) ; 這對於肉眼來說太小了，無法分辨。 因此，在望遠鏡發明之前，除了行星在天空中的位置，我們對它一無所知。 義大利科學家伽利略・伽利萊是已知的第一個使用望遠鏡進行天文觀測的人。記錄顯示，他從 1610 年 9 月開始用望遠鏡觀察火星。 這台儀器太原始，無法顯示行星表面的任何細節，因此他設定了目標，觀測火星是否表現出與金星或月球相似的部分黑暗相位。雖然他不確定自己能否成功，但是到了 12 月份，他注意到火星角直徑的確縮小了。 1645 年，波蘭天文學家約翰・赫維留成功地觀測到火星的一個相位。

1644 年，義大利耶穌會士丹尼洛・巴托利稱在火星上看到了兩塊較暗的地方。 在 1651 年、1653 年和 1655 年的天體對立期間，火星最接近地球時，義大利天文學家喬瓦尼・巴蒂斯塔・里喬利和他的學生弗朗切斯科・馬里亞・格里馬爾迪注意到火星上有不同的反照率。 第一個繪製火星地形特徵地圖的人是荷蘭天文學家克里斯蒂安・惠更斯。 1659 年 11 月 28 日，他繪製了一幅火星圖，上面顯示了一個獨特的黑暗區域，現在被稱為大瑟提斯高原，可能是一個極地冰蓋。 同年，他成功地測量了這顆行星的自轉周期約為 24 小時。 他粗略估計了火星的直徑，大約是地球直徑的 60% ，與現在測量的 53% 較為符合。 也許第一次火星南極冰帽的概念是義大利天文學家喬瓦尼・多梅尼科・卡西尼於 1666 年提出的。 同年，他利用對火星表面標記的觀測，確定了一個 24 小時 40 分鐘的自轉周期。 這與目前普遍接受值相差不到三分鐘。 1672 年，惠更斯觀察到到北極有一頂毛茸茸的白帽子。

1671 年，卡西尼成為巴黎天文台的第一任主任後，他解決了太陽系大小的問題。 根據克卜勒第三定律確定了行星軌道的相對大小，所以需要確定行星軌道之一的實際大小。 為此，根據地球上不同點的背景恆星測量了火星的位置，從而測量了火星的日視差。 在這一年裡，這顆行星正沿著它的軌道移動到離太陽最近的地方 (近日點對日點) ，這使得它離地球特別近。 卡西尼和皮卡德在巴黎確定了火星的位置，而法國天文學家里希爾從南美洲的開雲確定了火星的位置。 雖然這些觀測結果受到儀器質量的影響，但卡西尼號計算出的視差與正確值相差不到 10% 。 英國天文學家約翰・弗拉姆斯蒂德進行了對比測量，得到了類似的結果。

1704 年，義大利天文學家雅克・菲利普・馬拉爾迪「對南方冰帽的系統研究，並觀察隨著行星的旋轉，它所經歷的變化」。 這表明冰帽並不在極地的中心。 他觀察到冰帽的大小隨著時間而變化。 1777 年，德國出生的英國天文學家威廉・赫歇爾開始對火星進行觀測，特別針對火星的極冠進行觀測。 1781 年，他注意到南方冰帽看起來「非常大」 ，他認為這是因為在過去的 12 個月裡南極一直處於黑暗之中。 到了 1784 年，南極冰帽變小了很多，這表明冰帽隨著地球季節變化而變化，因此它是由冰組成的。 1781 年，他推測火星的自轉周期為 24 小時 39 分 21.67 秒，並測量了火星兩極對軌道平面的軸向傾斜為 28.5 秒。 他指出，火星有」相當大卻溫和的大氣層，因此其居民可能在許多方面與我們類似」。 在 1796 年到 1809 年之間，法國天文學家奧諾雷弗勞格蓋斯注意到火星上的模糊圖象，認為「赭色的面紗」覆蓋了火星表面。 這可能是最早關於火星上黃雲或風暴的報導。

## 完善行星參數

19 世紀 70 年代，夏帕瑞麗觀測到黃雲造成的地表模糊現象。 在 1892 年和 1907 年的對立期間觀測到黃雲的證據。 1909 年，安東尼亞迪指出黃雲的出現與反照率特徵的模糊有關。 他發現當火星距離太陽最近時，在相反的位置上火星會顯得更黃，而且會接收到更多的能量。 他認為風沙或灰塵是造成雲層的原因。

1894 年，美國天文學家威廉・華萊士・坎貝爾發現火星的光譜與月球的光譜完全相同，這使人們對新興的火星大氣層與地球大氣層相似的理論產生了懷疑。 之前探測到的火星大氣中的水被解釋為不利條件，坎貝爾確定水完全來自地球的大氣層。 儘管他同意冰帽確實表明大氣中存在水，但他不認為冰帽足夠大到可以探測到水蒸氣。當時，坎貝爾的說法被認為是有爭議的，並受到天文學界成員的批評，但在 1925 年得到了美國天文學家沃爾特・亞當斯的證實。 

### 20 世紀

蘇聯、美國、歐洲、日本、印度、中國 和阿拉伯聯合大公國共已發射數十艘太空船研究火星表面、地質和氣候。這些太空船包括軌道衛星、登陸器和漫遊車，但大約有三分之二的任務在完成前或剛要開始時就因種種原因而失敗。目前將一公斤物體由地球表面送往火星平均要花費約 30,900 美元。

1960 年 10 月 10 日，蘇聯向火星發射了第一枚探測器火星 1A 號，但以失敗告終。此後蘇聯經過多次嘗試，終於在 1962 年 11 月 1 日，蘇聯向火星發射了火星 1 號，這枚探測器終於進入了前往火星的軌道，然而 1963 年 3 月 21 日它飛行到距離地球 1.06 億公里的距離時，與地面永遠失去了通信聯繫。1965 年 NASA 的水手 4 號飛掠火星。1971 年水手 9 號進入火星軌道，成為第一個環繞火星的探測船。

1971 年蘇聯火星計畫火星 2 號的登陸器墜毀後數日，相同的火星 3 號的登陸器成功登陸火星，是第一個成功登陸火星的探測器，但登陸十幾秒後隨即失去聯繫，攜帶的火星車 Prop-M 也未能將訊息傳回地球。1975 年 NASA 發射海盜號，包括兩組軌道衛星和登陸器。海盜 1 號和 2 號軌道衛星各運作了六年和三年。兩個登陸器皆於 1976 年成功登陸，並傳送了第一張火星地景的彩色照片，而軌道衛星也繪製了很好的火星地圖，甚至到今天都還在使用。

1988 年蘇聯發射弗伯斯 1 號、2 號以探測火星和兩個衛星。弗伯斯 1 號於抵達前失去聯繫，而弗伯斯 2 號雖然成功拍攝了火星和火衛一，但在放出兩艘登陸器到火衛一前也失去聯繫，所攜帶的著陸器也沒能在火星表面著陸。

在 1992 年火星觀察者失敗後，NASA 於 1996 年 11 月發射了火星全球勘測者。火星全球勘測者於 1997 年進入火星環繞軌道，其出色地完成任務，它在 2001 年完成了地圖繪製的任務，並三次延長任務，直到 2006 年 11 月 2 日失去聯繫而結束，總計在太空中運作了 10 年。在火星全球勘測者發射一個月後，NASA 發射了火星探路者，並攜帶一個登陸器和漫遊車 —— 旅居者號（Sojourner），於 1997 年 7 月登陸在阿瑞斯峽谷。旅居者號成為第一個在火星上成功運作的火星車，並運作長達 83 個火星日傳回了大量照片。

NASA 的火星勘測 98 計畫於 1998、99 年發射了火星氣候衛星與火星極地登陸者，前者預計研究氣候、水與二氧化碳等，後者則預計於南極登陸，探測器搭載的深空 2 號則計劃於火星極地登陸者進入大氣時與它分離，直接降落並穿入地表進行研究。但火星氣候探測者號在 1999 年 9 月 23 日在進入火星軌道的過程中失去聯絡，最終任務失敗，極地登陸者則在 1999 年 12 月 3 日探測器登陸火星時失去聯絡，兩者均以失敗告終。

另外，1996 年 12 月 16 日，俄羅斯發射了火星 96 號探測器，探測器進入地球軌道後未能成功點火進入前往火星的軌道，而宣告失敗。1998 年 7 月 3 日日本發射的希望號探測器，於 2003 年 12 月 10 日進行最後的遠程遙控修復作業仍告無效之後，日本放棄「希望號」進入火星軌道的嘗試，項目也以失敗告終。

### 21 世紀

2001 年 NASA 發射了 2001 火星奧德賽號，任務成功進行並延續到 2010 年 9 月。船上的伽瑪射線光譜儀於地表下一公尺內偵測到大量的氫，證明有大量的水分子存在火星近地表。2003 年 NASA 發射了兩台相同的火星探測漫遊者 —— 精神號（MER-A）和機會號（MER-B）。兩台皆於 2004 年 1 月成功登陸並工作超過預定時間。傳回的資料中最有價值的是兩地過去有水的確實證據。塵捲風和風暴偶爾清除了太陽能板上的沙塵，使它們能以超過預定任務時間繼續工作。

2003 年歐洲太空總署發射了火星快車號，包括軌道衛星和登陸器 —— 小獵犬 2 號，而小獵犬 2 號於 2004 年 2 月降落失敗。2004 年船上的行星傅立葉光譜儀於大氣中偵測到甲烷。2006 年 6 月 ESA 宣布火星快車號發現極光。

2005 年 8 月 NASA 發射了火星勘察衛星，於 2006 年 3 月進入火星軌道展開為期 2 年的工作。它搭載更進步的通訊系統，頻寬比之前任務總和還寬，且傳回的資料遠多於過去任務的總和。擁有解析度高達 0.3 公尺的相機 ——HiRISE，拍攝地表和天氣以尋找未來任務的適合登陸地點。2008 年 2 月 19 日拍攝到北極冠邊緣的一系列雪崩影像。

2007 年 2 月 25 日，探測彗星的羅塞塔號近距離飛掠火星並拍照，拍到火星的高空雲系。

NASA 於 2007 年 8 月發射鳳凰號，於 2008 年 5 月登陸在火星北緯 68 度的極區。鳳凰號登陸器有一支可伸及 2.5 公尺的機械手臂，並可挖掘土壤 1 公尺深。它還搭載一座顯微鏡，解析度達人類頭髮寬度的千分之一。2008 年 6 月 20 日確認在 2008 年 6 月 15 日發現的地表白色物質為水冰。2008 年 11 月 10 日進入冬季而無法繼續聯繫鳳凰號，任務結束。2009 年 2 月 17 日，黎明號飛掠火星以重力助推前往目的地灶神星和穀神星，並在接近火星時拍了照。

2011 年 11 月 9 日中俄合作的福布斯 - 土壤號於升空，預計送回火衛一土壤樣本。而該探測器還將搭載一顆重 110 公斤的火星探測器，也就中國第一艘火星軌道環繞器螢火一號（YH-1），預計乘坐俄羅斯的聯盟號運載火箭升空，航程大約 10 個月。螢火一號主要研究火星的電離層及周圍空間環境，火星磁場等。該探測器發射到近地軌道後，因為與地面失去聯繫變軌失敗，探測器的碎片於莫斯科時間 2012 年 1 月 15 日墜落在太平洋海域。

繼鳳凰號之後，NASA 於 2011 年的發射的火星科學實驗室（好奇號），在 2012 年 8 月 6 日 05:31UTC 成功登陸火星的蓋爾撞擊坑。它和火星探測漫遊者一樣是火星車，但比火星探測漫遊者更大、速度更快，而且設備更完善。它搭載雷射化學檢測儀，可在 13 公尺外分析岩石組成。比起之前其它火星任務，它攜帶了更多先進科學儀器。本次任務的總成本達到了 25 億美元，是歷來最貴的火星探測任務。2013 年 11 月 19 日 NASA 發射 MAVEN 探測器，研究火星大氣。2014 年 9 月進入環繞火星的軌道，MAVEN 至今仍在運作。2014 年 9 月 24 日，印度的火星軌道探測器也成功進入火星軌道。

2016 年 3 月 14 日，ESA 與俄羅斯聯邦航天局合作研發的火星微量氣體衛星成功發射，該衛星將分析火星大氣層，並將運載斯基亞帕雷利演示登陸器至火星進行登陸。可挖掘兩公尺深以尋找有機物甚至火星生命。登陸器於 2016 年 10 月 19 日登陸火星，但由於登陸器與火星高速碰撞，造成登陸計劃失敗。原定於 2020 年 7 月發射的羅莎琳・富蘭克林號，則被推遲到 2022 年。

2020 年 7 月下旬，阿聯希望號火星探測器、中國國家航天局的天問一號、與 NASA 的毅力號，先後發射升空。2021 年 2 月 9 日希望號到達火星。2 月 18 日毅力號成功登陸火星，毅力號還攜帶一台火星無人直升機機智號，機智號在 2021 年 4 月 19 日首次試飛獲得成功，這是人類首次實現飛行器在其他星球的受控飛行，4 月 20 日，毅力號成功將火星大氣的二氧化碳轉化成氧，這是地球以外的首次成功造氧。5 月 15 日，中國國家航天局的天問一號著陸器和祝融號火星車在火星烏托邦平原南部預選著陸區成功著陸，5 月 22 日，祝融號被成功釋放到火星表面，中國成為了繼美國之後第二個在火星著陸並且成功部署火星車的國家，而且是第一個一次完成環繞、登陸、巡視的國家。

## 人類登陸

2004 年美國總統布希宣布載人火星任務為太空探索展望中的長期目標。NASA 和洛克希德・馬丁已開始研究獵戶座太空船，計劃於 2020 年以前送人類到月球，作為人類登陸火星的準備。2007 年 9 月 28 日，NASA 執行長麥可・D・格里芬聲明 NASA 預計於 2037 年以前送人類到火星。ESA 也希望於 2030 至 2035 年間將人類送上火星。

直達火星是羅伯・祖賓 —— 火星學會的創始人和主席 —— 提出的極低成本載人火星任務，使用重載的農神五號級火箭，如戰神五號或太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹九號，省略軌道組裝、低地軌道會合和月球燃料補給站而直接用小的太空船前往火星。修改後的計劃，叫做 Mars to Stay ，改成先不送回第一批登陸者，狄恩・尤尼克說明送回一開始的四到六人所花費用比送他們到火星還高，反而可再送二十人。

## 參考資料