火星科学概论

从电影《世界大战》到《火星救援》，火星从一个驻扎着邪恶怪异外星人的神秘的行星，变为一片敞开大门等待人类征服和移民的土地。然而要移民火星，得首先认识火星。本书回顾了迄今人类对火星的探测历程，汇集了对火星的研究成果，书中的图片一展科学相机和探测器下火星的奇妙景观，为中国火星的火星爱好者、从事探测科技人员、行星科学的研究与教学人员提供了一份不可多得的参考。 

迄2016年12月为止，人类已进行了45次火星探测活动。21世纪，人类将全面开展太阳系各层次天体与行星际空间的探测，而火星则是这些探测活动中主要的目标天体。美国、俄罗斯、日本、印度、欧洲空间局等国家或组织都已制订了各自的长远的火星探测计划，每26
个月将发射2
颗以上的火星探测器，全方位地开展对火星生命信息、环境、大气、岩石、水及内部构造等的探测与深入研究。中国也于2016年1月启动了火星探测计划，将于2020
年前后发射火星探测器，逐步开展火星和太阳系的空间探测和研究。
《火星科学概论》是一部系统论述火星的资深性科学专著，全书共16章，内容涵盖导言、火星概况、火星探测历程、火星磁场与磁层、火星电离层、火星大气层、火星地形地貌、火星化学、火星的岩石与矿物、火星土壤、火星陨石、火星地质、火星内部结构、火星生命信息、火星的形成与演化、火星探测的发展趋势与展望等，并附“火星地名表”和“火星探测年表”。
中国目前已具备自主开展火星探测的能力，将在探月计划的基础上，有计划地开展火星和太阳系的空间探测和研究。本书可为参与火星探测与深空探测工程的科技人员比较全面地了解火星提供基础性资料，为从事行星科学与火星研究的高校师生提供参考，为关注火星科学研究与火星探测进展的广大公众提供火星科学知识的系统论述。

欧阳自远，天体化学与地球化学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国际宇航科学院院士。1960
年中国科学院地质研究所研究生毕业。现任中国科学院地球化学研究所研究员、国家天文台高级顾问。长期从事各类地外物质、月球科学、比较行星学和天体化学研究，取得一系列创新性成果，是我国天体化学学科的开创者。近20

多年来，主要从事中国月球探测与太阳系探测的科学目标与载荷配置研究，是中国绕月探测工程的首席科学家，现为月球探测领导小组高级顾问。曾获国家科学大会奖、中科院及国家自然科学奖、国家科技进步奖特等奖、国防科技进步奖特等奖、全国先进工作者等奖项。在国内外发表论文590多篇，撰写专著18部，主编著作21部。至今仍然在科研线勤奋工作。

邹永廖，中国科学院国家天文台研究员，博士生导师，台长助理，中国科学院月球与深空探测重点实验室副主任，国家“863
计划”空间探测专家，中国空间科学学会副理事长，曾担任探月工程地面应用系统副总指挥等职务。主要从事行星科学、中国月球与深空探测工程任务研制和管理等工作，发表学术论文近百篇，合作专著和科普图书共12部。曾获国家科技进步奖特等奖、国防科技进步奖特等奖、“探月工程突出贡献者”、全国五一劳动奖章、政府特殊津贴专家（自然科学类）等多个奖项。

第 1 章导言/ 1
第 2 章火星概况/ 5
2.1 认识火星/ 5
2.2 火星的基本参数/ 6
2.3 火星地质概况/ 8
2.4 人类的火星探测/ 9
2.5 火星上是否存在生命/ 10
2.6 火星的卫星/ 11
第 3 章火星探测历程/ 15
3.1 肉眼观测火星/ 15
3.1.1 古代中国记载中的火星/ 15
3.1.2 国外早期对火星的观测/ 16
3.2 天文望远镜观测火星/ 17
3.3 探测器飞越探测火星/ 20
3.3.1“马尔斯尼克”系列/ 20
3.3.2“斯普特尼克”系列/ 20
3.3.3“斯普特尼克23 号”/ 21
3.3.4“水手3 号”/ 21
3.3.5“水手4 号”/ 21
3.3.6“探测器2号”/ 22
3.3.7“探测器3 号”/ 22
3.3.8“水手6 号”和“水手7 号”/ 22
3.4 轨道器探测火星/ 23
3.4.1“火星1969A”和“火星1969B”/ 23
3.4.2“水手8 号”/ 23
3.4.3“水手9 号”/ 24
3.4.4“宇宙419 号”/ 24
3.4.5“火星4 号”/ 24
3.4.6“火星5 号”/ 25
3.4.7“火星观察者”/ 25
3.4.8“火星全球勘测者”/ 26
3.4.9“希望号”/ 26
3.4.10“火星气候轨道器”/ 26
3.4.11“火星奥德赛2001”/ 27
3.4.12“火星勘测轨道器”/ 28
3.4.13“曼加里安号”/ 30
3.4.14“火星大气与挥发物演化”/ 32
3.5 轨道器 着陆器探测火星/ 34
3.5.1“火星2号”/ 34
3.5.2“火星3 号”/ 35
3.5.3“火星6 号”/ 35
3.5.4“火星7 号”/ 36
3.5.5“海盗计划”/ 36
3.5.6 “火星94”/ 38
3.5.7“火星96”/ 38
3.5.8“火星快车”/ 39
3.5.9“凤凰号”/ 42
3.5.10“深空2号”/ 43
3.5.11“火星极地着陆器”/ 43
3.5.12“火星生命探测计划”/ 44
3.6 探测火星卫星/ 45
3.6.1“火卫一1 号”和“火卫一2号”/ 45
3.6.2 “火卫一—土壤号”和“萤火一号”/ 46
3.7 火星车巡视探测/ 46
3.7.1“火星探路者”/ 46
3.7.2“勇气号”和“机遇号”/ 47
3.7.3“好奇号”/ 48
第 4 章火星磁场与磁层/ 53
4.1 火星磁场探测/ 54
4.2 火星岩石圈磁场/ 56
4.2.1 火星岩石圈磁场空间分布/ 56
4.2.2 火星岩石圈磁场起源/ 56
4.2.3 火星岩石圈磁场模型/ 58
4.2.4 火星岩石圈磁场应用/ 59
4.3 火星发电机/ 60
4.3.1 火星发电机的必要条件/ 60
4.3.2 火星发电机的发展模式/ 61
4.3.3 火星发电机的发展进程/ 63
4.3.4 火星古磁场的长期变化现象/ 64
4.3.5 火星磁场起源的数值模拟/ 64
4.3.6 火星古磁场与古大气的关系/ 66
4.4 太阳风与火星的相互作用/ 66
4.4.1 火星弓激波和磁场堆积区/ 67
4.4.2 火星上的等离子体波动/ 69
4.4.3 火星粒子逃逸和极光现象/ 71
第 5 章火星电离层/ 79
5.1 火星上层电离层/ 79
5.1.1 上层电离层探测/ 79
5.1.2 上层电离层的电离源/ 84
5.1.3 上层电离层中的化学过程/ 87
5.1.4 电离层模型/ 88
5.2 火星上层电离层扰动/ 89
5.2.1 太阳耀斑与上层电离层扰动/ 90
5.2.2 日冕物质抛射对上层电离层的影响/ 91
5.2.3 太阳高能粒子事件对上层电离层的影响/ 93
5.2.4 极光电离层/ 95
5.2.5 扰动条件下的上层电离层模型/ 95
5.3 火星下层电离层/ 96
5.3.1“火星4 号”和“火星5 号”观测/ 97
5.3.2“火星全球勘测者”观测与流星层/ 98
5.3.3“火星快车”观测及流星层/ 100
5.3.4 流星离子的成分和化学反应/ 101
第 6 章火星大气层/ 109
6.1 火星大气层结构/ 109
6.2 火星大气化学/ 110
6.3 火星大气物理/ 111
6.4 火星大气运动与尘暴/ 112
6.5 火星气候/ 117
6.6 火星大气的演化/ 118
第 7 章火星地形地貌/ 125
7.1 火星地形/ 125
7.2 火星主要地貌类型/ 128
7.2.1 撞击坑和盆地/ 128
7.2.2 火山地貌/ 134
7.2.3 峡谷地貌/ 143
7.2.4 水流地貌/ 145
7.2.5 冰川地貌/ 149
7.2.6 风成地貌/ 150
第 8 章火星化学/ 155
8.1 火星壳的化学组成/ 155
8.1.1 轨道器探测/ 155
8.1.2 着陆器探测/ 161
8.1.3 火星陨石/ 170
8.1.4 火星壳的化学特征/ 173
8.2 火星幔和核的化学组成/ 179
8.2.1 玄武岩演化/ 179
8.2.2 火星幔的化学组成/ 180
8.2.3 火星核的化学组成/ 183
8.3 火星年代学/ 183
8.3.1 核幔壳分异时代/ 183
8.3.2 岩浆活动的时代/ 184
第 9 章火星的岩石与矿物/ 189
9.1 岩浆岩/ 189
9.1.1 全球分布（轨道探测）/ 191
9.1.2 岩石类型（巡视探测）/ 191
9.2 沉积岩/ 200
9.2.1 风成沉积岩（沉积韵律与气候变化周期）/ 200
9.2.2 水成沉积岩/ 203
9.3 表土角砾岩质陨石/ 206
9.4 火星的矿物/ 207
9.4.1 岩浆岩的主要造岩矿物/ 209
9.4.2 岩浆岩的副矿物/ 213
9.4.3 岩浆岩的含水矿物/ 213
9.4.4 冲击成因高压矿物/ 215
9.4.5 表生矿物/ 217
第 10 章火星土壤/ 237
10.1 探测概况/ 237
10.1.1“海盗1 号”/ 238
10.1.2“海盗2号”/ 239
10.1.3“火星探路者”/ 239
10.1.4“勇气号”/ 242
10.1.5“机遇号”/ 243
10.1.6“凤凰号”/ 243
10.1.7“好奇号”/ 243
10.2 火星土壤的类型与分布/ 248
10.3 火星土壤的基本性质/ 250
10.3.1 颗粒特征/ 250
10.3.2 化学成分/ 255
10.3.3 矿物组成/ 263
10.3.4 火星土壤的机械力学性质/ 265
10.3.5 磁性/ 268
10.4 火星尘埃/ 270
10.5 火星土壤的形成过程/ 272
10.6 模拟火星土壤/ 273
10.6.1 JSC Mars-1 / 275
10.6.2 MMS / 275
10.6.3 ES-X / 276
10.6.4 Salten Skov Ⅰ / 277
10.6.5 JMSS-1 / 277
第 11 章火星陨石/ 285
11.1 火星陨石概述/ 285
11.1.1 降落型火星陨石/ 285
11.1.2 发现型火星陨石/ 286
11.2 火星陨石来源的证据/ 286
11.3 火星陨石的岩石类型/ 289
11.3.1 辉玻质无球粒火星陨石/ 290
11.3.2 辉橄质无球粒火星陨石/ 297
11.3.3 纯橄质无球粒火星陨石/ 298
11.3.4 斜方辉岩质火星陨石/ 299
11.3.5 火星表土角砾岩/ 299
11.4 火星陨石的年龄/ 300
11.4.1 火星陨石的结晶年龄/ 301
11.4.2 溅射年龄/ 303
11.4.3 宇宙线暴露年龄/ 304
11.4.4 居地年龄/ 305
第 12 章火星地质/ 309
12.1 火星地质总体特征/ 309
12.2 火星外动力地质作用/ 310
12.2.1 撞击作用/ 310
12.2.2 风的地质作用/ 315
12.2.3 流水的地质作用/ 319
12.2.4 极地冰川作用/ 324
12.3 火星内动力地质作用/ 328
12.3.1 火山作用/ 328
12.3.2 构造作用/ 331
12.3.3 变质作用/ 337
12.4 火星地质演化/ 343
第 13 章火星内部结构/ 349
13.1 火星重力场与内部结构/ 349
13.1.1 火星的重力场模型/ 349
13.1.2 火星壳厚度模型/ 351
13.1.3 火星的岩石层（圈）/ 351
13.2 火星内部磁场/ 353
13.2.1 火星磁场/ 353
第 14 章火星生命信息/ 375
14.1 火星生命的提出/ 375
14.1.1 火星生命探测历程/ 380
14.1.2 与生命有关的要素/ 381
14.1.3 能否改造火星和人类移民火星/ 382
14.2 火星生命探测的重大事件/ 383
14.2.1“海盗号”/ 383
14.2.2“凤凰号”/ 385
14.2.3“火星快车”/ 385
14.2.4“好奇号”/ 389
14.2.5“火星2020”/ 392
14.3 火星陨石提供的生命信息/ 393
14.3.1 ALH 84001、Nakhla和Shergotty / 393
14.3.2 Tissint 陨石中发现有机碳/ 399
14.3.3 火星2 亿年前左右还存在地下水的活动/ 401
14.3.4 火星陨石的未来用途/ 403
14.4 未来探寻火星生命的两个方向/ 403
第 15 章火星的形成与演化/ 407
15.1 火星的形成与初始物质组成/ 408
15.2 火星的核—幔分异/ 410
15.3 后增生吸积/ 411
15.4 岩浆洋结晶与壳—幔分异/ 412
15.5 火星南北二元结构的起源/ 413
15.6 发电机与磁场/ 414
15.7 火星壳的岩石学模型/ 416
15.8 火星幔的地球化学模型/ 418
15.9 早期岩石圈演化/ 419
15.10 火星表生环境的演化/ 420
第 16 章火星探测的发展趋势与展望/ 429
16.1 国际火星探测发展态势/ 429
16.1.1 美国的火星之旅/ 429
16.1.2 ESA 的火星探索战略/ 432
16.1.3 俄罗斯的火星探测计划/ 434
16.1.4 日本的火星探测规划/ 436
16.1.5 印度的火星探测之路/ 437
16.2 未来火星探测的科学焦点/ 437
16.2.1 火星表面与空间环境/ 437
16.2.2 火星地形地貌与地质构造/ 438
16.2.3 火星的物质成分/ 439
16.2.4 火星的火山活动和内部结构/ 439
16.2.5 火星的水体与可能的生命信息/ 440
16.3 中国的火星探测工程/ 440
16.3.1 我国未来火星探测发展设想/ 440
16.3.2 我国首次火星探测任务的科学目标/ 441
附录1 火星地名表/ 443
附录2 火星探测年表/ 495
后记/ 507

　　当今世界高新科技领域中极具创新性、挑战性、前瞻性和显示度的深空探测，是了解太阳系及其各层次天体形成与演化、溯源生命起源等一系列重大基础性科学问题的有效手段，是人类进行空间资源开发利用和保护地球的重要途径，也是推动人类社会科学、技术、经济等发展的重要内涵。目前，深空探测已成为世界各航天大国科技探索与创新的战略制高点，而火星则因其可能是地外生命探索的主要目标天体及其可宜居等独特性质，也成为各国在深空探测领域中竞相角逐的热点和生长点。

　　人类自诞生以来，就因太空的浩瀚、神秘而敬之惧之，火星则因其快速的运动、橙红的色彩和多变的亮度等特性尤为引人瞩目。它不但常常被统治者或神权者所利用、被百姓所寓喻，如被古埃及人称为“地平线上的何露斯”、被古罗马人称为“马尔斯”等，也为古代的天文观测者密切关注，他们在当时简陋的条件下开展了多次火星观测，彰显了不凡的智慧，如中国古称火星为“荧惑”，蕴含了对火星色彩、运动等特性和规律的概括。可以说，人类对火星在认识上的首次飞跃源于17世纪望远镜的诞生及应用，但真正意义上对火星有更精准、更深层次的认识，则来自20世纪60年代以来人造探测器近距离造访火星的探测活动：从1960年苏联发射了首颗火星探测器至今，人类已发射了近50颗火星探测器，实现了对火星的飞越探测、环绕探测、着陆与巡视探测，大大拓宽、加深了人类对火星的了解。

　　随着航天技术的发展和探测手段的多样化、探测精度的不断提高，以及人类对火星认识程度的逐步加深，各航天大国对开展火星探测的热情和频率也逐步抬升和增加。特别是进入新千年以来，探测火星、探寻火星生命信息、探索火星宜居性已逐渐成为国际深空探测的主流，在一定程度上，各航天大国对火星的探测热情已经超越了月球。实际上，中国开展火星探测的可行性论证几乎同步于开展月球探测工程的论证工作：20世纪90年代开始，在国家“863项目”支持下，中国科学家已就火星探测的意义、科学目标等开展了自发性的研究工作，随后又与航天技术专家一起开展了火星探测必要性和技术可行性的论证工作；2007年底，成功发射“嫦娥一号”卫星后，受原国防科工委（现国防科工局）的委托，由孙家栋院士、欧阳自远院士负责组织开展了我国开展火星探测方案的论证工作；从2010年底开始，国防科工局领导和组织开展了更为全面、更为细致的论证工作；2014年9月，国防科工局对外宣布，正式启动我国首次火星探测工程的预先研究和关键技术攻关工作；2016年1月，国家批准了我国首次火星探测工程的综合立项报告，标志着我国首次火星探测工程正式实施。

　　虽然人类对火星进行了几千年的观测和近60年的轨道遥感和表面原位探测，对火星科学的认识取得了长足进步，但这对于真正认识火星、利用火星、开发火星来说还远远不够，就火星本身的科学内涵而言，仍存在诸多科学谜团，需要我们进一步去探索、去研究、去考证。

　　比如，不同于地球磁场，火星虽有很强的岩石圈剩余磁场和多极子磁场特征，却没有全球性的偶极子磁场，但根据现有的行星演化理论，火星早期也应该具有全球性的偶极子磁场，那么，包括火星发电机的开始与消失时间、条带状岩石剩磁分布特征及其成因机制等诸多事关火星磁场形成的物理机制及其演化过程，进而延伸至火星演化理论体系等重大科学疑团仍有待于进一步探究与诠释。火星电离层是太阳风与火星之间发生相互作用和火星水逃逸的重要场所，其与火星磁场、火星大气层等均是火星空间物理研究领域的关键要素。同样，目前在火星电离层中到底发生着怎样的化学作用仍是火星科学界的一大谜团，抑或说是一个颇具争议的研究热点。毋庸置疑，火星大气的结构、组成、物理化学过程、运动特性及其与太阳风的相互作用是火星尘暴、气候的发生和变化的重要控制因素，其中隐匿的许许多多科学细节及相关机制也一直令学术界感到困惑。

　　又如，火星的形貌与构造体系，既发育着以外力为主成因的布满表面的撞击坑和风成地貌、古水流体系等，也有以内营力为主成因而孕育出的诸如火山口形貌、山脉构造体系等，既是火星内部演化在火星表面上的综合显现，又表征着火星固体表面与其外部环境的相互作用。这些复杂型与综合型的火星形貌与构造体系又蕴含着怎样的火星综合演化历史呢？火星的“今日”与“昨日”又有多大的雷同和差异呢？这些科学问题既是基础性的又是综合性的，同样需要我们进一步挖掘和阐释。

　　再如，火星早期的主要热流机制是什么？火星过去、现在的火山活动是怎样演变的？火星壳为什么会出现二分性？这诸多的问题，涉及更深层次的有关火星的成分、资源、内部结构、形成与演化、乃至火星与其他类地行星的差异性等重大核心要素，这些绝不是靠次数有限的火星探测就能解决的。特别是，火星的过去、现在是否有生命发育？解开这一疑团也不仅仅是靠对火星过去曾有大量的水体等几个要素的分析就能解释清楚的。更具挑战性的问题是，能否通过改造火星使之成为人类的新家园呢？这一涉及哲学领域的“科技难题”，难道不需要我们不断从科学上去考证、从技术上去验证吗？

　　本书正是基于这些科学疑团以及我国刚刚启动首次火星探测工程的契机而组织编写的。