火星地理

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火星地形圖(來自NASA戈達德太空飛行中心),火星全球勘測者雷射測高儀繪製,由Maria Zuber和David Smith領導。上為

火星地理Geography of Mars,或Areography)為火星自然地理

歷史[编辑]

喬范尼·夏帕雷利的火星地圖。上為北,然而其他太空探索之前繪製的火星地圖,慣例以上為,因為由望遠鏡所見是上下左右顛倒的。

火星觀測起源於地面望遠鏡,且主要在火星位於相對於地球為、也就是火星衝的時候,約每兩年一次,因為此時火星距離地球最近,最易觀察。而距離更短則是在近日點衝,因火星位於近日點附近。

1877年9月(當年9月5日為火星近日點衝),義大利天文學家喬范尼·夏帕雷利首先出版了詳細的火星地圖,和月球一樣以暗區為海(Mare)等水體、亮區為陸地。其中包括著名的canalichannels,河道)(後來被認為只是錯視),他以著名河川命名這些長條暗線。之後被錯誤地翻譯為canals,也就是火星運河的起源。

火星暗區為水體或植被的想法,到了NASA1960年代水手號計畫中的水手4號探測火星才告結束。之後的海盜號火星全球勘測者亦有長期觀測,而後者1996年發射、工作至2006年,更是繪製了詳盡的火星地圖。

反照率特徵[编辑]

Amazonis
Arcadia
Tharsis
Tempe
Chryse
Argyre
Noachis
Arabia
Aeria
Hellas
Lybia
Elysium
Eridania
Aeolis
Mare
Sirenum
Mare Erythraeum
Mare
Acidalium
Syrtis
Major
Mare
Tyrrhenum
Utopia
Mare
Cimmerium
Nix
Olympica
Hesperia
Solis
Lacus
Sinus
Meridiani
Sinus Sabaeus
Ismenius
Lacus
Iapygia
Syrtis
Minor
圖中淺褐色即為沙子分布,可見與亮區之間的關係。

以上為火星全球勘測者於1999年所攝之火星可見光影像地圖,為圓柱投影en:Equirectangular projection),中央為經度0°,緯度0°,上為北。顯示反照率特徵(Albedo Features),深藍色字為亮區,亮藍色字為暗區。不像月球月海等暗區常表示低地,火星的明暗地區分布與地形無關,原因是地表有較明亮、隨風遷移的沙子,沙子覆蓋之處即成亮區。但並非上圖的亮區皆為沙子,像是南北極的極冠,或是雲,如希臘平原的大片捲雲

比較海盜號和火星全球勘測者的影像,會發現明暗特徵已有變化[1],總體來說暗區面積增加,而暗區吸收入射光的比例較亮區高,也就是反照率較低,故導致了氣候變化,如氣溫上升、風向改變等。

地形[编辑]

以下地形圖可點選地形特徵進入相關頁面。

奧林帕斯山 亞拔山 埃律西昂 大瑟提斯高原 阿波里那山 烏托邦平原 阿爾及爾平原 希臘平原 古瑟夫撞擊坑 塔爾西斯 水手號峽谷 卡塞峽谷 埃律西昂平原Mars topography (MOLA dataset) HiRes.jpg
关于这幅图像

以上地形圖是依火星全球勘測者探測資料繪製,以麥卡托投影顯示南北緯約70.2°之間,中央為經度0°,緯度0°,上為北。麥卡托投影的好處是形狀不變,圓形的隕石坑到高緯仍是圓形,只是尺寸放大了。顏色代表高度,可由右上角的圖例得知。光線是由東北方斜照,而關於地形尺寸與坡度的真實情況,使用Google地球軟體會更明瞭。

概述[编辑]

火山[编辑]

水文[编辑]

地圖與測量[编辑]

地形測量[编辑]

20世紀早期地面以無線電波測量火星地形。1976年海盜號進行的地形測量,發現了峽谷和南北半球的巨大差異,而衍生出北方平原本是海洋的假說,如1989年Parker等人提出兩條可能的海岸線。[2]自1999年火星全球勘測者進行更精確的地形測量,並發現一些支持Parker海岸線的證據。[3]

目前廣泛使用的全球地形圖(也就是前面的圖)是火星全球勘測者火星衛星雷射測高儀(Mars Orbiter Laser Altimeter,MOLA)從1999到2001年累積六百多萬次的雷射測量並修正後所得。[4][5]方法是已知衛星位置,以雷射來回時間計算地表至地心的距離,再減去基準面--火星大地水準面即得地形高度。

火星大地水準面Areoid,對應Geoid,地球大地水準面)是一個接近平均海拔的重力等位面,是人為計算並選擇的,並非真實存在。重力等位面垂直重力場,相當於人感覺到的水平面與上下高低,故以重力作為測量地形高度的依據。又地球的大地水準面近似於傳統的基準面--海平面,故作為地形高度的基準面。且雖然大體上是一個橢球面,但因各處的質量分布不均導致有不規則起伏,如在塔爾西斯、烏托邦平原等處為突起。[6]目前採用的是戈達德火星重力模型(Goddard Mars Gravity Model)。[4]

除了大地水準面,還有以最接近的橢球面或三相點氣壓:610為基準,測出來的地形高度亦互不相同,例如奧林帕斯山的高度值就有很多種,甚至達27公里。以下是幾個例子(單位為公尺):[7]

地形特徵 以Areoid為基準 以橢球面為基準 以610帕為基準
奧林帕斯山 21287 22663 24736
艾斯克雷爾斯山 18219 19183 21472
阿爾西亞山 17781 18633 20945
埃律西昂山 14127 14586 16707
帕弗尼斯山 14057 14937 17307
亞拔山 6770 7209 9056
赫克提斯山 4853 5035 7086
歐伯山 3925 4185 6301
希臘平原最深處 -8180 -8510 -6462
註:另有資料顯示不同高度值:奧林帕斯山21229公尺;艾斯克雷爾斯山18225公尺;埃律西昂山14028公尺;帕弗尼斯山14058公尺;希臘平原最深處-8200公尺。[8]

另外可用視差法測量地形,即以稍微不同的角度觀看同物體,來判別立體形狀。這早已應用於航照圖的地形判斷,現在一些探測器如火星勘察衛星火星快車號火星探測漫遊者,應用高解析度照片建立區域的高解析度地形模型,或製成立體照片,需帶上紅藍立體眼鏡觀看。

地圖分區[编辑]

Quadrangles of Mars. North is at the top.

美國地質調查局(USGS)依經緯度將火星地表分為30個長方形區域(Quadrangle),緯度以0°、30°、65°分隔,經度則六或八等分,以傳統地名命名。而代號前的MC表示Mars Chart。下表顯示各區名稱,中央為經度0°,緯度0°,上為北。[9]

MC-01
Mare Boreum
MC-02
Diacria
MC-03
Arcadia
MC-04
Mare Acidalium
MC-05
Ismenius Lacus
MC-06
Casius
MC-07
Cebrenia
MC-08
Amazonis
MC-09
Tharsis
MC-10
Lunae Palus
MC-11
Oxia Palus
MC-12
Arabia
MC-13
Syrtis Major
MC-14
Amenthes
MC-15
Elysium
MC-16
Memnonia
MC-17
Phoenicis Lacus
MC-18
Coprates
MC-19
Margaritifer Sinus
MC-20
Sinus Sabaeus
MC-21
Iapygia
MC-22
Tyrrhenum
MC-23
Aeolis
MC-24
Phaethontis
MC-25
Thaumasia
MC-26
Argyre
MC-27
Noachis
MC-28
Hellas
MC-29
Eridania
MC-30
Mare Australe

經緯坐標[编辑]

  • 零度經線

火星赤道是以它的自转确定,但火星的本初子午线是人为指定的,跟地球的一样,选择是随意的,大家约定俗成。1830-32年,德国天文学家Wilhelm BeerJohann Heinrich Mädler选择一个小圆形特征作参考点以制作火星的第一张系统地图,1877年被意大利天文学家喬范尼·夏帕雷利採用作本初子午线。在1972年,水手9号测绘火星地貌後,沿着Beer和Mädler的线,兰德公司Merton Davies在他建立一个地理控点网络后提出火星精确的0.0°经线定义:是一个位于子午湾(Sinus Meridiani,或子午線高原(Meridiani Planum))的小隕石坑(稍后被称为艾里-0)。

  • 兩種坐標系統

火星坐標系統有兩種,一種採用地理緯度(planetographic latitude)與西經(西經0度至360度),另一種採用地心緯度(planetocentric latitude)與東經(東經0度至360度),兩者皆由國際天文學聯合會認可使用。早期的觀測是使用前者,2002年決定未來製圖時使用後者(不過2001年MOLA製作的地圖屬於後者)。[10]

地名命名[编辑]

早期[编辑]

約翰·海因里希·馮·梅德勒(Johann Heinrich von Mädler)和威廉·比爾(Wilhelm Beer)雖然因月球地圖而聞名,他們也是首先的火星製圖者。他們以大部分地表特徵是固定的為出發點,訂出火星自轉週期,在1840年的計算只比現在差了0.1秒。1830年,梅德勒結合了十年的觀察繪製了第一張火星地圖。他們並沒有為各特徵命名,而是以字母標示,如子午線灣(Sinus Meridiani)為 a。

往後大約二十年,隨著儀器進步和觀測者增加,很多名稱開始出現,如太陽湖(Solis Lacus)稱為(Oculus),大瑟提斯則為沙漏海(Hourglass Sea)或蠍子(Scorpion)。1858年,安吉洛·西奇命之為大西洋水道(Atlantic Canale)。他解釋:「它就好像地球的大西洋,分隔開舊大陸與新大陸。」而這是水道(canale)——義大利語可解釋為水道(channel)或運河(canal)——第一次使用在火星上。

1867年,理查德·安東尼·普羅克特(Richard Anthony Proctor)不加修飾地取自威廉·魯特·道斯(William Rutter Dawes)於1865年所繪的地圖,繪了一張火星地圖。他以一些觀測者的名字來命名各特徵。以下列出,與喬范尼·夏帕雷利於1877至1886年所繪之地圖中所使用的相比較。[11]夏帕雷利用的較為廣泛接受,至今仍使用:

Richard A. Proctor的火星地圖,下為北。

普羅克特的命名法常遭批評,因為他選的多是英國的天文學家,也因為一些名字不只使用一次。尤其Dawes就出現不只六次(Dawes Ocean,Dawes Continent,Dawes Sea,Dawes Strait,Dawes Isle,Dawes Forked Bay)。即使如此,這個命名法也不是那麼令人厭惡,且這些缺點也由後來的天文學家所改進。

現代[编辑]

現在,火星地名有多種來源。大的反照率特徵保留傳統名字,但常隨著真正性質的發現而更新,如Nix Olympica(奧林匹克之雪)變成Olympus Mons(奧林帕斯山)。

大隕石坑以重要的科學家和科幻作家命名;小隕石坑則以地球上的村鎮命名。

一些火星車所研究的地表特徵會加上暫時名稱或綽號,以利辨別標示。然而,一些特徵如以哥倫比亞號太空梭災難上七名太空人的名字命名的哥倫比亞山丘群,希望能得到國際天文學聯合會的永久使用。

用語[编辑]

火星地形或地表特徵用語是採拉丁文,在此列出常用的供對照:(或參考原文