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火星——關于其內部表面和大氣的引論

火星——關于其內部表面和大氣的引論

作者：吳季 等譯
出版社：科學出版社出版時間：2021-07-01
開本： B5 頁數(shù)： 228
本類榜單：自然科學銷量榜
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火星——關于其內部表面和大氣的引論 版權信息

  • ISBN：9787030271051
  • 條形碼：9787030271051 ; 978-7-03-027105-1
  • 裝幀：一般膠版紙
  • 冊數(shù)：暫無
  • 重量：暫無
  • 所屬分類：>

火星——關于其內部表面和大氣的引論 內容簡介

人類對火星的認知在近40年來發(fā)生了很大的變化。這主要歸功于大量的基地和空間望遠鏡的觀測，以及眾多飛往火星的探測計劃的觀測成果。特別是近期的觀測結果表明，水在火星氣候和地質變化中發(fā)揮著重要的作用。本書就是依據(jù)近期新的探測結果，針對火星的形成、地質、大氣、內部結構、表面特征以及是否存在生命現(xiàn)象的一本教科書。這本跨學科的教科書涉及的領域包括地質學、化學、大氣科學、地球物理學、以及天文學。每一章都包括了關于本章涉及學科的一些背景知識，以幫助非專業(yè)的讀者能夠理解其中要探討的內容。采用的觀測結果一直延續(xù)到2006年的火星探測器獲得數(shù)據(jù)，也即歐空局火星快車（MarsExpress）計劃和美國的火星巡視車勇氣號和機遇號（SpiritandOpportunity）計劃。

火星——關于其內部表面和大氣的引論 目錄

目錄
重印序言
中譯本序
譯者序
前言
**章火星引論1
1.1歷史上的觀測1
l.1.1使用天文望遠鏡之前對火星的觀測1
1.1.2使用天文望遠鏡的地面和空間觀測2
1.2飛行器探測計劃4
1.2.1美國的火星探測計劃6
1.2.2蘇聯(lián)/俄羅斯的火星探測計劃13
1.2.3歐洲空間局的火星探測計劃15
1.2.4日本的火星探測計劃16
1.3火星的軌道特性17
1.3.1軌道參數(shù)17
1.3.2與太陽和地球軌道相關的火星軌道特性18
1.4火星的物理特性19
1.4.1自轉19
1.4.2體積19
1.4.3質量和密度20
1.5火星的衛(wèi)星20
1.5.1火衛(wèi)一福布斯21
1.5.2火衛(wèi)二戴莫斯22
1.5.3火衛(wèi)一和火衛(wèi)二的來源22
1.5.4是否存在其他衛(wèi)星23
1.5.5火星軌道上的特洛伊小行星24
第二章火星的形成及早期行星演化25
2.1火星的形成25
2.1.1吸積25
2.1.2嚴重撞擊期26
2.2分異化和內核的形成28
2.2.1行星的加熱28
2.2.2地質年代學29
2.2.3火星的隕石32
2.2.4行星分異與火星內核的形成34
2.3火星的總體構成35
2.4火星的熱演化37
2.4.1同位素和地質學限制條件對火星熱模型的約束38
2.4.2火星的熱模型39
第三章火星物理測量及內部結構推測43
3.1火星形狀及測繪學數(shù)據(jù)43
3.1.1火星的形狀43
3.1.2坐標系統(tǒng)44
3.2引力及地形學45
3.2.1引力場分析45
3.2.2引力異常、地殼均衡性及殼層厚度48
3.2.3火星的地形學51
3.3火星的地震數(shù)據(jù)52
3.4熱流53
3.4.1熱傳導53
3.4.2熱對流53
3.4.3火星的熱流通量54
3.5磁學55
3.5.1活躍的發(fā)電機機制55
3.5.2剩余磁化56
3.6火星的內部結構58
第四章表面特征59
4.1反照率和表面顏色59
4.1.1反照率59
4.1.2顏色60
4.2表面粗糖度和結構61
4.3火星殼組成62
4.3.1組分分析方法62
4.3.2火星殼組分的遙感觀測65
4.3.3火星隕石解析的火星殼組分69
4.3.4現(xiàn)場分析的火星殼組分70
4.3.5火星殼組分總結74
4.4表面物質的物理特征75
4.4.1風化層76
4.4.2熱慣性和巖石豐度78
4.4.3塵埃81
第五章地質82
5.1地質研究的背景知識與技術方法簡介82
5.1.1巖石和礦物82
5.1.2地層學技術82
5.1.3撞擊坑統(tǒng)計分析84
5.2火星地質年代88
5.3地質作用過程89
5.3.1撞擊成坑作用89
5.3.2火山作用95
5.3.3構造作用104
5.3.4塊體運動109
5.3.5風蝕作用110
5.3.6河床演變114
5.3.7極地冰川作用117
5.4火星地質演化125
第六章大氣狀態(tài)和演化126
6.1今天火星大氣的特征126
6.2大氣物理127
6.2.1氣壓方程和大氣標高127
6.2.2傳導128
6.2.3對流128
6.2.4輻射130
6.3火星大氣現(xiàn)狀132
6.3.1大氣結構132
6.3.2云和塵暴134
6.3.3風137
6.3.4大氣環(huán)流140
6.3.5火星氣候現(xiàn)狀141
6.4火星大氣的演化143
第七章火星上水的歷史145
7.1火星上水的來源145
7.2水與其他揮發(fā)物147
7.3早期火星上的水148
7.4諾亞紀后的水150
7.4.1火星的海洋150
7.4.2自轉軸傾角的變化周期和氣候變遷152
7.5當前水的穩(wěn)定性和分布154
7.5.1地下水分布的模式155
7.5.2地下水的直接探測155
第八章尋找生命157
8.1與生物有關的火星條件157
8.2海盜號的生物實驗158
8.3火星隕石ALH84001160
8.4大氣里的甲烷161
8.5未來的任務162
8.6行星保護問題165
第九章展望168
參考文獻172
附錄早期探測計劃209
PREFACE TO CHINESE EDITION OF MARS:AN INTRODUCTION TO ITS INTERIOR，SURFACE，AND ATMOSPHERE211
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火星——關于其內部表面和大氣的引論 節(jié)選

**章火星引論 1.1歷史上的觀測 1.1.1使用天文望遠鏡之前對火星的觀測 火星是人類自有文字記載的歷史以來在科學上*受關注的天體。甚至在公元 1609年天文望遠鏡發(fā)明以前，天文觀測者就仔細地紀錄了火星在天空中移動的路 線。這顆行星明顯地呈紅色，使得世界上多個古代文明將其命名為戰(zhàn)爭或災禍之神。 我們目前使用的名稱^火星(Mars)，就是羅馬戰(zhàn)神的意思。火星上的幾個巨大的 峽谷的命名，都是來自于不同語言中對火星的稱謂，如阿瑞斯峽谷(來自于希臘語 的火星)，奧伽庫峽谷(來自于印加語)，尼爾加爾峽谷(來自于古巴比倫語)。 對天球中運行的火星軌道進行仔細地觀測，使早期的天文觀測者得到兩個結 論。**個是火星的軌道回歸周期(回到天球中同一位置的時間)是687地球日（1.88 地球年)。波蘭天文學家尼古拉斯 哥白尼(Nicolaus Copernicus)發(fā)現(xiàn)比地球距離太陽遠的行星軌道的回歸周期P與該行星在太陽系中的匯合周期災回到太陽-地球-行星 同一相對位置的時間)相關， （1.1） 用這一關系，我們可以得到火星的匯合周期是2.14地球年。 在使用天文望遠鏡之前，觀測者得到的第二個結論是火星在天空中沿一個奇特 的回路運行。如果連續(xù)觀測多日，正常情況下行星都是從西向東在夜空中移動，偶 爾他們會停下來并開始反向移動一段時間，也就是自東向西，之后又停下來開始自 西向東移動，回到正常的移動方向上來。這種逆行(自東向西)移動特別發(fā)生于對距 離地球近的行星的觀測；鹦蔷途哂忻黠@的逆行軌道，甚至對用肉眼進行觀測的人 來說也是明顯可見的。采用地心說很難解釋這一現(xiàn)象，需要在軌道圓上畫數(shù)百個小 圓(本輪加修正)。然而，當哥白尼在1543年將太陽放在中心，令地球和其他行星 繞太陽轉動，逆行軌道現(xiàn)象就很容易解釋了。采用日心說，逆行現(xiàn)象就是當一個行 星在運行中追上并超過另一個行星時在觀測時產(chǎn)生的效果。 火星在確定行星軌道的形狀方面也扮演了重要角色。基于第谷(Tycho Brahe) 大量和精確的關于火星在天球中位置的觀測，約翰納斯 開普勒(Johannes Kepler)于 1609年推斷行星軌道是橢圓的，太陽就位于其中一個焦點上；鹦堑能壍涝谔 系中橢圓度第二大，僅次于水星。但水星距離太陽太近而不容易觀測。 1.1.2使用天文望遠鏡的地面和空間觀測 盡管伽利略(Galileo)的小望遠鏡在1609年除了看到一個橘紅色的星球以外并 不能發(fā)現(xiàn)任何新東西，但是這之后較大的望遠鏡卻逐漸發(fā)現(xiàn)了這個行星的大量信 息。1610年，伽利略報告說，火星表面有凸起，并為后續(xù)的觀測所驗證。**個 描述火星表面反照率的報告是由克里斯蒂安 惠更斯(Christiaan Huygens)在1659年 發(fā)表的。在他繪制的火星圖上標出了一個暗點，這很可能是就是塞爾提斯大平原 (Syrtis Major)。發(fā)現(xiàn)火星表面存在反照率不同，天文觀測者就可以確定火星的自傳 周期約為24小時。亮度較高的極區(qū)冰蓋直到1666年才被喬萬尼.卡西尼(Giovanni Cassini)發(fā)現(xiàn)？ㄎ髂岬耐馍目四.馬拉蒂(Giacomo Maraldi)繼而利用幾次沖的機 會對極區(qū)冰蓋進行了詳細的觀測，其中就包括1719年的那次引起眾多關注的大沖。 他還發(fā)現(xiàn)了南極冰蓋的中心與自旋軸并不重合，極區(qū)冰蓋和赤道區(qū)的暗色區(qū)域的亮 度會發(fā)生短期的變化，以及冰蓋邊緣的暗色區(qū)域(他解釋為溶化了的冰)。 威廉 赫歇爾勛爵(Sir William Herschel) 1777-1783年對火星進行了觀測，并成 為確定火星的自旋軸偏離其軌道法向30°的**人。這表明火星與地球一樣也存在 四季。赫歇爾還將火星的自旋周期精確的確定為24時39分21.67秒。赫歇爾還推 斷火星表面存在稀薄的大氣，這是因為他看到火星表面圖像有變化，并宣稱發(fā)現(xiàn)了 云。目前我們知道這主要是由冰的微粒組成的白色的云。黃色的沙塵云是由奧諾利 弗拉格格斯(Honore Haugergues)于1809年發(fā)現(xiàn)的。 在我們認識火星的過程中*主要的進展開始于1830年，當時正值火星離地球 *近。約翰 馮 穆德勒(Johan Van Madler)和威漢姆 拜爾(Wilhelm Beer)繪制了人類 **張完整的火星圖，并于1840年發(fā)表。這也是**張用經(jīng)緯度標注地球以外行 星的地圖，其零經(jīng)度線定義在經(jīng)過一個小的深暗點。他們還測量了火星自轉周期， 為24時37分22.6秒(與目前公認的結果只差0.1秒)。從1830到20世紀初，有大 量的火星圖被繪制出來，并逐漸合成為1864年的威廉 戴維斯(William Dawes)圖， 1867年的理査德 普羅斯特(Richard Proctor)圖，1876年的尼古拉斯 弗拉芒里安 (Nicolas nammarion)圖，以及 1901~1930 年的安東尼阿迪(E.M. Antoniadi)圖。盡管 普羅斯特圖和弗拉芒里安圖都巳經(jīng)標注出了火星地貌，但是目前使用的火星地貌命 名體系卻是基于喬萬尼 夏帕端里(Giovanni Schiaparelli) 1877年繪制的火星圖。 1877年火星和地球的距離非常近，由此又一次激勵起發(fā)現(xiàn)的浪潮。重要的事 件包括由阿薩夫 霍爾(Asaph Hall)發(fā)現(xiàn)了火星的兩顆衛(wèi)星，火衛(wèi)一：福布斯(Phobos) 和火衛(wèi)二：戴莫斯(Deimos)。納森尼爾 格林(Nathaniel Green)發(fā)現(xiàn)了在晨昏時刻， 位于火星大氣臨邊和高緯度的白色云斑。古德(M. Gould)還在這一年嘗試拍攝了人 類**張火星照片。但卻是另一個觀測吸引了人類這之后長達多年的注意力：夏帕 瑞里在火星表面發(fā)現(xiàn)了幾條暗色線條，他將這些暗線稱為“溝槽”。 夏帕瑞里報告火星表面發(fā)現(xiàn)了暗色線條，但他無法解釋這些線條的來源。因此， 他只能用一個一般性地詞匯一溝槽——來描述這一地貌。溝槽是一種自然地貌， 由流動的液體/冰、地殼構造或風形成。然而不幸的是，意大利語的溝槽“Canali” 在譯成為英語時就成了 “Canal”，意為人工開鑿的水的渠道的意思。 溝槽的發(fā)現(xiàn)無形中支持了其他關于火星上存在生命的觀測。19世紀的觀測已 經(jīng)表明火星的確展示了許多與地球相似的特征。它的自旋周期只比地球長37分鐘 多。由于它的自旋軸也有傾角，因此也向地球一樣存在四季的變化。用望遠鏡也觀 測到了兩極的冰蓋以及大氣，盡管還不知道大氣的成分。但與是否有生命存在相關 的，*為令人迷惑的觀測還屬被稱為“暗波”的現(xiàn)象。觀測顯示，當春天到來一側 的極區(qū)冰蓋開始縮小時，環(huán)繞冰蓋的區(qū)域的亮度就會明顯變暗。當冰蓋繼續(xù)縮小直 至夏季，暗色的區(qū)域就會逐漸延伸到赤道區(qū)域。當秋天來臨冰蓋面積開始增加時， 深色的區(qū)域又開始從赤道區(qū)向極區(qū)回退，由此形成了一個“暗波”。絕大多數(shù)人認 為，這就是由于兩極的冰在春夏溶化，水帶來了植物的生長使得反照率降低。 夏帕瑞里的溝槽很快就被大家接受，認為不但在火星上存在植物，還存在智慧 生命。這一觀點被一個富有的波士頓人拍斯瓦爾 勞維爾(Percival Lowell)廣泛傳播， 并于1894年在亞利桑那州的弗萊斯達夫建立了天文臺，專門研究火星上的“溝槽”。 在這個天文臺，他利用0.6m的克拉克反射式望遠鏡觀測到了數(shù)百個單或雙的“溝 槽”，見圖1.1，并寫了好幾本書來闡述他關于這些“溝槽”形成的原因。根據(jù)勞 維爾的觀點，古代的火星曾存在較厚的大氣層，使得火星表面溫度適宜，且保有大 量的水。一種火星的智慧生物種群生活在這樣的自然環(huán)境中，并遍布整個火星。但 由于火星的體積只有地球的52%，大氣逐漸向太空中逃逸，使得表面溫度降低， 水大量消失。這使得火星上的智慧生物種群逐漸向溫暖的赤道區(qū)轉移，并建造了水渠網(wǎng)將極區(qū)的水引向饑渴的赤道區(qū)。勞維爾也認為，水渠的尺度太小，以至于在地 球上用望遠鏡根本看不到。我們用望遠鏡看到的，實際上還包括了水渠兩邊的植被。 勞維爾的書和在公眾的演講吸引了大量的熱心的讀者和聽眾，許多關于火星人的科 學幻想讀物都是源自這些討論。(例如，《火星史》和《世界之間的戰(zhàn)爭》，The Martian Chronicles and The War of the Worlds)。 圖1.1火星“溝槽”的圖像(其中的暗線)以及設想的湖泊(其中圓點)，由珀斯瓦爾 勞維爾在1894年11月9日夜晚繪制。（圖片來源：勞維爾天文臺檔案） 然而多數(shù)天文學家并不確信在火星上存在“溝槽”。更為強大的望遠鏡并沒有 看到暗線，而是看到了遍布火星表面的暗斑？茖W家認為所謂的暗線只是由于觀測 分辨率到了極限，觀測者的想象造成的光學印象，即將那些暗點連成了線。這些極 限又被地球和火星上大氣的波動所更加強化了。關于人的主觀臆想的實驗也證實了 這一觀點。勞維爾則用他在弗萊斯達夫天文臺具有的無以匹敵的觀測能力進行反 擊，爭論直到1916年勞維爾去世之后仍在繼續(xù)，一直延續(xù)到1948年在加利福尼亞 帕羅莫爾天文臺建造了 5m孔徑的望遠鏡。實際上，直到航天器探測的太空時代， 天文學家才真正確認，所謂的“溝槽”并不存在；所謂的“暗波”僅僅是火星上沙 塵在季風的帶動下大范圍移動所產(chǎn)生的。 望遠鏡孔徑的增加和技術的發(fā)展，近年來極大地推動了天文觀測的方式和質量 的提高，火星研究正是享用這些技術成果的領域之一。地面上紅外望遠鏡以及哈勃 太空望遠鏡對火星的觀測揭示了火星表面的物質組成分布，包括含水礦物的存在。 自適應光學系統(tǒng)的誕生，以及和哈勃太空望遠鏡的聯(lián)合觀測，極大地提高了研究火 星地貌的分辨能力，達到了通；鹦擒壍榔鞑拍軌蜻_到的觀測精度。利用地面射電 望遠鏡開展的對火星的無線電頻段的觀測，提供了表面粗糙度的定量條件，為著陸 器和巡視器的著陸選址提供了重要資料。這一關于火星表面粗糙度的地基觀測能 力，只是*近才被火星軌道器上的火星激光高度計(MOLA)取代。 有人認為對火星的地基觀測巳經(jīng)過時了，正在被送往火星的大量的軌道器、著陸 器(見1.2節(jié))所替代。事實勝于雄辯，地基觀測可以連續(xù)觀測或準連續(xù)觀測快速變化的 現(xiàn)象，如大氣的變化(包括沙塵暴的形成和傳播)和極區(qū)冰蓋的變化。由于軌道的特性， 軌道器無法實時連續(xù)觀測某一局部地點或某一個事件，著陸器和巡視器的觀測則更加 受限制。航天器使用的觀測波段也受到儀器能力的限制，哈勃望遠鏡能用來觀測火星 的時間也是非常少的。因此，在火星的研究中地基觀測仍然承擔著重要的任務。 1.2飛行器探測計劃 自從人類進入太空時代之初開始，火星就是一個主要的航天器探測目的地。這 部分是由于它和地球如此接近，但使人類感興趣的主要還是在這個地球的近鄰上是 否存在生命。時至今日，探索火星的計劃的初衷還是為了解答火星在過去甚至現(xiàn)在 是否支持生命的存在的問題。美國航空航天局(NASA)尋找水的戰(zhàn)略就是首先研究 水是如何影響行星的地質和氣候演變的，以及水對生物的支持作用。盡管人類對火星探測的興趣高漲，然而火星并不是太空中*容易探索的地方。在歷史上大約三分 之二火星探測計劃部分或全部失敗。表1.1中列出了時至2006年發(fā)射的所有火星 探測計劃，以下將對這些計劃進行更詳盡的描述。 表1.1火星探測計劃 1.2.1美國的火星探測計劃 1964年美國發(fā)射水手3號和4號開始進行火星探測。盡管兩個計劃都發(fā)射成

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