火星

特殊地形 氣候 探測任務 首頁

火星上的地形景觀

﹝一﹞火星地形分佈的特色

火星上的地形分佈差異極大,赤道以北的北半球地勢較為低平,且隕石坑較少,大致上是以低於海平面的平原為主,其中有幾處火山的分佈,如Tharsis火山群、Olympus火山及Elysium火山。而赤道以南的南半球地勢較為高聳,主要以高地地形為主,其中佈滿了大小不一的隕石坑,地形十分崎嶇,此外火星上最大的峽谷-水手號峽谷,及最大的盆地-Hellas盆地也位於南半球。大致上南半球的平均較北半球高上35公里。

 對於火星上南半球地形景觀為何有如此大的差異,各家眾說紛紜,比較有可能的說法是,南半球的隕石坑要北半球來得多,是因為南半球的地質年代較北半球來得老,約為35億前形成的,而北半球約為10億前形成的,所以南半球較北半球多經過二十億年的隕石“洗禮”,所以隕石坑比較多。

另外一個說法是,火星上的火山大都分佈在北半球,所以造成北半球地勢較為平坦的原因可能是與火山活動及岩漿流動有關;甚至也有人認為,這是因為北半球在年輕時曾受到強大的隕石撞擊所造成的。但目前仍無定論。

火星地形分布圖

  左:火星南半球 ;右:火星北半球

()火星上的火山地形

火星上有許多巨大的火山,大多數皆分佈在北半球,其中又以號稱太陽系最大火山的Olympus火山最為有名,見下圖所示。Olympus火山為一盾狀火山,其高度為25公里,底部基地的寬度達600公里。若將之與地球上最大的火山-夏威夷群島上的Mauna Loa火山比較,其高度為後者的2.5倍,底部直徑為後者的2.6,可見其規模之大。

Olympus火山

為何大小只有地球三分之一的火星上有比大地球的火山三倍的火山呢?請見下圖,我們可以在圖中發現,下圖的Mauna Loa火山在其底部周圍有凹陷的情形,這是因為該火山體積過於龐大,因此地殼無法承受其重量,而造成下陷;再看看上圖,Olympus火山卻無下陷的現象,這一點顯示了火星上的地殼較地球上來得厚。所以我們就可以推測,火星上的地殼活動較地球上來得少,甚至沒有如地球上的板塊運動。

Olympus火山與Mauna Loa火山比較

 

下圖的上方,當海底所噴發的岩漿造成一座火山後,因為受板塊不斷地向西移動,使得該火山就無法再獲得岩漿的補充,取而代之的,是另一個新火山的形成,這樣一來就無法產生巨大的火山了。反觀火星上沒有板塊的活動,所以地殼下的岩漿會在同一個火山上噴發,岩漿一層又一層地疊在該火山上,經歷了漫長的時間,便造就了如此巨大的Olympus火山。

火山噴發意示圖

()火星上的峽谷地形

水手號峽谷( Valles marineris ),下圖6,可說是火星上最明顯的地標,其位於赤道附近,長度綿延4000公里,寬度有600公里,平均深度6公里,最深更達10公里深;美國的大峽谷與它相比之下,簡直是小巫見大巫。

造成水手號峽谷的成因也眾說紛紜,有人認為是因為被一次大規模的洪水所沖刷而成的;也有人認為是因其底部的岩漿被附近的火山給噴發走了,因此發生了大規模的地裂而形成。在峽谷中也發現到地層排列的現象,這可能是由於河水的沉積作用,或者由火山噴發物所堆積而成。

水手號峽谷

﹝四﹞火星的極冠

在火星的兩極可以很明顯地看到一片白色的極冠,這裡主要是由固態的二氧化碳及冰所組成。兩極的地勢也較周圍地區來得高一些,其中也有峽谷穿插在內。當春天來臨時,北極的極冠就會因為冰的融化,以及南方沙塵暴的來襲,使得極冠的面積減少。

極冠的冰是火星上有水的有力証據,據估計,火星表面現存水量上限應在 320~470 百萬立方公里,大約相當於格陵蘭島覆雪的1.5倍。但如果火星兩極完全是由水冰所組成的話,總水量將可覆蓋全球 22~33公尺深,大約是火星古代估計水量的三分之一。

火星的極冠

﹝五﹞火星上的河流地形

在火星上我們發現了兩種與水流有關的地形:一為Outflow Channel,另一為Runoff Channel。前者是因為地底下的冰突然融化,而使得大量(約為密西西比河的一萬倍)的水從地底冒出來,加以沖刷地表而形成的地形。至於為何水會突然從地下湧出來,科學家認為這與火山的熱度或者岩石的壓力有關。

outflow channel

Runoff Channel則類似地球上乾涸的河床,還可以再分為兩種型態,一種其河道較長,且較曲折,支流少,如圖8;另一種則河道較短,較複雜,支流較多,如圖。這些地形代表了火星曾經有流量穩定的河流,才會造成這些地形。至於為何這些地表水現在卻不見蹤影了?科學家認為可能是因為氣候的改變,使得液態水不易在火星地表上保存,所以若有水,可能絕大部分都是以固態的型態,儲存在地表下。

runoff channel

 

﹝六﹞火星的特殊地形

1.人面山

七十年代,海盜號太空船在火星表面拍攝到的一張照片中(圖上)清楚可以看出一張酷似人類臉孔般的地形,雖然主流的科學家們認為這完全是光影變化配合地形所形成的巧合景觀,但許多人仍將之視為火星古代文明的圖騰,因而一時造成喧騰至今,幾年前,人面像理論的支持者還認為耗資數十億美金的火星觀察者 (Mars Observer) 計劃在太空船接近火星時失敗,是 NASA 為了隱瞞證實發現火星人造建築而刻意設計的,NASA 對此表示可笑之至。但從這次拍攝的最新影像看來,人面像已隨火星氣候變化而改變,在不同光影角度下拍攝的結果與先前所見大相逕庭,由此可見所謂的“人面像”應只是短暫的光影效應,而非永久性的地形,更非火星古代文明遺跡。

2.心形谷地

照片中,看似灰色塵土堆成了一個心形小丘,事實上是在一個地塹中陷落造成的窪地。地塹是一種因岩床擴張而沿著斷層所形成的一種地形。這塊窪地寬約 2.2 公里,科學家希望透過太空船上的相機瞭解它與熔岩流之間的關係,因為地塹與窪地切斷了熔岩流。

                                                                                                                                                                                                     

火星氣候

火星氣候遠比地球來的暴烈,時速高達600公里的狂風與曾經漫過廣大面積的洪水沼澤遺跡便是明證。

太空船也偵測到時速達五百公里的暴風,規模比地球的颶風大五倍以上。科學家曾觀測到其中一個颶風,從形成到消失僅36小時,面積從60平方哩暴增至一千平方哩,涵蓋了幾乎整個美國的面積。火星上的砂塵讓暴風更具威力,這些砂塵受到日照後溫度升高,使風速更快。在日出後不久,這些砂塵的溫度便升高了20度以上。

Michael C. Malin表示,火星上可能曾發生過持續了數個月之久的大洪水,其規模比近年來侵襲地球的洪水大千倍以上。洪水從高大的坑洞中傾瀉而下,沖刷鄰近的平原,巨大的卵石夾雜洪流中在短短幾週內沖出了大峽谷。最後,洪水緩緩分散至盆地間,轉變為泥沼。

Malin表示,這些水最後可能蒸發至乾燥的火星大氣,或滲回土壤中了。但洪水的來源為何?科學家推測可能是小行星撞擊造成的結果。Malin猜測,當時巨大的撞擊深入火星表層以下,並造成了一個深達500公尺、坑壁隆起地面的巨大坑洞,地表的水流入洞中,形成了湖,面積與猶他州相近。日久坑洞受到侵蝕,大量的水崩瀉而出,在坑壁邊形成高達一百公尺的大瀑布,以時速200公里的速度傾瀉而下。

 

 

火星的氣象

由於火星的地表空氣稀薄,僅約為地球表面空氣密度的百分之一,氣體儲存熱量的能力非常有限,因此晝夜溫差大,夏季白天的溫度可上升至20℃以上,但是到了晚上可降至-90℃以下。在南半球的夏季時節,常產生很劇烈的風暴,主要的原因是南極的CO2冰大量溶化為氣體,造成高壓形成很強的氣流,其風暴的速度可高至每小時100公里以上,而且延續好幾個月,其風暴規模之大甚至涵蓋火星星球很大的表面;根據以往的記錄,從地球對火星的觀察,可看到火星顏色的改變,此乃由於風暴肆虐之故。

 

1、火星北極的雲

火星北半球的仲夏,此時此處所接受太陽的熱量特別多,大量的水蒸氣進入大氣層中形成多雲的天氣型態。

在北極附近,冰與被曬熱砂石之間的溫差造成強風,在北極上空中形成氣體渦漩,海盜號太空船也曾經觀察到這類現象。有時候,這些風形成緊密的氣旋,有時會形成更複雜的型態,擾亂整個火星的大氣循環

火星全球測量者號所拍攝到的就是火星夏季的典型氣候,與地球類似,雲的速度每天都有變化,平均移動時速約16公里,轉速約每小時十公里。

北極的雲

2、火星上的氣旋

雖說火星上空氣稀薄,但和地球一樣也會有風暴,上圖靠近北極白色冰帽附近正形成一個颱風,直徑1600公里,颱風眼明顯可見,這是1999427日所拍到的影像,而火星赤道有一大片雲如同腰帶一般,這正是火星夏天典型的樣子。

這次所拍攝到的風暴含有大量水氣及冰雲,與地球上的颱風較為類似,反而與典型的火星塵暴不太一樣,在火星的盛夏,這樣風暴來得快也去得急,最主要的原因是日夜溫差加大並且水氣含量豐富所致,三天之後,MGS太空船飛過北極附近,颱風己經不見了,只留下左圖冰帽附近的幾片殘雲。

氣旋

 

3、火星北極刮起夏末颱風

火星上的七月已是北半球夏季的最後一個月份,八月便是火星上北半球秋天的開始,這與地球相當類似,只不過火星上的季節大約是地球的兩倍。MGS太空船曾在六月底的最後一個星期,拍下了火星的北極附近的颱風,再一次證明了火星是一個大氣旺盛的行星,是個隨時在改變的行星。

上圖四張連續圖形由左至右是1999630日在火星北極附近所拍,每張相隔約2個小時,可以很明顯看出風暴的規模與威力,其風速也相當驚人,圖中偏白色部份為富含水氣的雲,棕色部份為塵埃風沙,風沙與水氣快速旋轉,互相混合飛散在大氣之中,整個颱風歷時兩天左右,接下來的數個月後,北半球會漸漸進入冬天,北極附近會慢慢變暗並且雲氣也會增加。

 

4MGS傳回火星上的沙塵暴

火星上有一種沙塵暴,與地球上沙漠地帶的風暴有點類似,不同的是地球上的水氣很多,沙漠風暴的發生範圍是局部性的,而火星上的沙塵暴則完全不同,它有可能是全球性,由於火星上大氣稀薄,水份含量又少,地心引力較小,一但刮起沙塵暴,風沙瀰漫在空中,常常擴及火星上每個角落,歷經數月不止,左圖下方白色模糊影像就是所謂的沙暴,它行進的方向是由南到北,橫掃數千公里,所幸這次發生在1999/5/16的沙暴屬於小型沙暴,並不影響MGS太空船對火星的測量工作。

 

5、火星上的龍捲風

火星上也有龍捲風?看圖,有數個龍捲風正在肆虐火星多塵土的表面,其中箭頭所指的龍捲風最高,達到8千公尺,這種小型的龍捲風英文名字稱為dust devils,字面上的意思是「塵魔」。火星上龍捲風的形成與地球類似,都是發生在空曠大平原的夏日午後,強烈的陽光照射地面,使得熱氣上升加速,當遇到上層冷空氣時便產生橫向對流旋轉氣旋,旋轉氣流受到星球重力及自轉的影響會由橫向轉為直立旋轉氣流,這就形成了龍捲風。

其實科學家早已經知道火星上有龍捲風。1998年四月份時,MGS太空船就曾拍過龍捲風在地面上的拖痕,雖然當時並沒有拍到龍捲風的樣子,但很明顯只有龍捲風才能造成這樣的線條,因此,這首張龍捲風照片證實了這些火星表面的線條,的確是龍捲風移動所造成的。

龍卷風

                                                                                                                                                                                                                  

火星探測任務歷史簡介

火星的探測歷史從19601010日蘇聯發射「Marsnik 1」開始,至今已有40多年的歷史了。探測火星的國家除了前蘇聯外還有美國、日本、歐洲及俄羅斯等國。火星探測任務的成功率不高,因此探測火星其實是一項很艱難的任務。探測火星的太空船類型基本上可以分成下面幾大類:1. 低空定點飛越﹝flyby﹞:以美國為例在水手九號之前的太空船都是以這種方式來探索火星。它並沒有繞著火星的軌道運行,而是盡可能在這顆紅色行星附近盡可能捕捉火星的信息,因此這種方式所能得到的火星資料並不多。2. 軌道衛星﹝orbiter﹞:如美國的水手九號,它繞著火星的軌道運行,因此所能拍攝的範圍擴大。水手九號總共拍了7329張影像,包含大約80%的火星表面。3. 登陸艇﹝lander﹞:以美國的維京一號為例,是第一次人類使用太空船在火星上登陸,登陸艇的任務為採集火星上土壤以及大氣的資料並進而分析之。4. 探測車﹝rover﹞:如最近受到大家矚目的機會號以及精神號都是屬於這種類型。之後會再詳細介紹精神號以及機會號探測車。

前面提到從事火星探索的國家有很多個,本報告主要在介紹美國的火星探測任務。首先有一個基本的問題,為什麼要探索火星?自1659,惠更斯(Christian Huygens)畫下了第一張火星表面的素描開始,火星的觀測也隨著望遠鏡的進步而逐漸盛行。19世紀的羅威爾(Percival Lowell)根據火星上的井然有序條紋提出了「火星運河說」,主張那些條紋乃是由火星的高等生物建造的運河。當然,這個說法引起很大的迴響,有人贊成,有人反對,到底哪一方才對,當時誰也不知道。而科學家對於這個神秘的星球也產生很多的疑問:火星上有如同科幻小說中的火星人嗎?火星上有生命嗎?火星上有水嗎?火星上的大氣組成如何?火星是否能告訴我們更多關於太陽系和地球的演化歷史?基於這些疑問開啟了60年代的火星探測。美國火星探測發展歷史以時間先後排列整理成下列的表格

 

 

名稱

發射時間

太空船類型

水手3 Mariner 3

1964/11/5

Flyby

水手4 Mariner 4

1964/11/28

Flyby

水手6 Mariner 6

1969/2/25

Flyby

水手7 Mariner 7

1969/3/27

Flyby

水手8 Mariner 8

1971/5/8

Flyby

水手9 Mariner 9

1971/5/30

Orbiter

維京1 Viking 1

1975/8/20

Orbiter and Lander

維京2 Viking 2

1975/9/9

Orbiter and Lander

火星觀察者號 Mars Observer

1992//9/25

Orbiter

火星全球勘查者號 Mars Global Surveyor

1996/11/7

Orbiter

 

火星拓荒者號Mars Pathfinder

1996/12/4

Lander and Rover

火星氣候衛星 Mars Climate Orbiter

1998/1211

Orbiter

火星極地登陸者號 Mars Polar Lander

深太空2 Deep Space 2 (DS2)

1999/1/3

Lander

Penetrators

火星奧德賽太空船  2001 Mars Odyssey

2001/4/7

Orbiter

精神號 Spirit (MER-A)

2003/6/10

Rover

機會號 Opportunity (MER-B)

2003/7/7

Rover

 

火星任務並不是每次都這麼成功的,以火星觀察者號為例,沒人知道它到底發生了什麼事。這艘探測船只在準備進入火星軌道時,傳回一個不起眼的黑白影像,然後就音訊全無。太空總署報告指出問題應該是漏氣的汽門導致任務的中斷。但當時也有傳聞所謂的「陰謀論」,有人認為因為此任務失敗是 NASA 為了隱瞞證實發現火星人造建築而刻意設計的,也就是火星人面像。但後來發現人面像會隨火星氣候變化而改變,在不同光影角度下拍攝的結果與先前所見也大不相同,由此可知所謂的人面像應只是短暫的光影效應,而非永久性的地形,更非火星古代文明遺跡。

  火星觀察者號的繼任者為火星全球勘查者號,火星全球勘查者號使用創新的技術,以節省昂貴的燃料。火星全球勘查者號到達火星時的速度,比火星的公轉速度快了許多,因此若不大幅減速將會走過頭而無法停在火星的軌道上。可是火星全球測量者號因為基於發射時的重量關係,並沒有搭載減速所需的燃料,而是利用火星的稀薄的大氣層來減速,這就是所謂的空氣制動(air braking)” 火星全球勘查者號進行一近圓形的繞動,通過火星的兩極,拍攝整個星球表面。

  通往火星的道路越來越擁擠,在火星全球勘查者號發射約一個月,火星拓荒者號也隨即發射升空。火星拓荒者號是由登陸艇以及探測車所組成的。火星拓荒者號在降落方面採用了新系統:他進入火星大氣層的方式為直接衝入火星大氣,船身有隔熱的薄層阻擋灼熱的溫度,當時速從一萬七千哩降至一千哩,拓荒者號使用降落傘系統,進一步減速至每小時135哩。在登陸幾秒前發射小型火箭以減低下降的速度,此時如蟲繭似的大型氣囊在登陸艇周圍張開,整個機身像海灘球一樣飛彈過地面,使用氣囊是為了在著地的最後的撞擊中保護登陸艇。最後成串的氣囊癟了,探測車在火星上安頓下來。火星拓荒者號在活動期間內,進行對岩石和土壤的元素分析,並拍攝各種地形地貌且觀測火星的大氣。此次任務的最大目的是在以低成本的探測車來登陸火星表面,整體來說火星拓荒者號可說是一次成功的任務。

  而美國最近一次的火星任務就是「精神號」與「機會號」,精神號於200413日抵達火星,而機會號隨即也在2004124日抵達。此兩輛火星探測車任務目的是要透過車輛上所裝載的科學儀器,搜尋過去存在液態水證據。本次探測車的降落方式與過去拓荒者號的方式相似,首先釋放降落傘以減低降落的速度,接著在落地前發射火箭使其速度更加減緩,之後包附的氣囊將被充氣以吸收落地時的衝擊力,在完全停止之前將彈跳數次其彈跳距離可達一公里之遠。精神號與機會號探測車的結構結實,可以保護內部所裝載的電子設備,因為探測車內部有許多設備必須在適當的溫度條件下才能運作,因此其本體是一個控溫箱,保護內部儀器。探測車共有六個輪子,每一個輪子都由獨立馬達來驅動,並裝設了「懸吊系統」,它能避免探測車姿勢突然改變,使車體仍處於平衡狀態。探測車的設計是在45度的傾斜車體都不會翻覆。探測車設計的最大速度是5cm/s

,那是在堅硬且平坦的表面上行駛的狀況下,加裝避危軟體使探險車每固定時間會將會重新計算自己的位置。另外探測車的電源是透過表面的太陽能板收集電力,當太陽能板被完全照射時可產生140瓦的電力,每個火星天大約可以有4小時使太陽能板被完全照射,產生最大的充電效率。在探測車的車體前端與後端安裝兩組相同的避危攝影機,其拍攝的影像除了用於障礙物偵測之外還用於探測車的路徑規劃上。探測車上還有裝設機械手臂,透過科學實驗儀器讓科學家更了解火星上的岩石與土壤,讓科學家對火星的組成有深一層的認識。以上是對於精神號與機會號的簡略介紹。

    想必火星上以後將會更加熱鬧,美國還有幾個火星任務計畫尚在執行,以後人類登陸火星也許也不再是一個空想。甚至還有人認為火星是下一個適合人類居住的地方,所以探索火星顯的格外重要且具有意義。不管如何,在未來這顆紅色行星神秘的面紗,將會一步一步地被人類慢慢的探索、揭開。