火星地质学Mars，Geologyof

Posted 2022-11-07 火星

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所有四颗类地行星（即地球、水星、金星和火星）直径都在4800和12500公里之间，而密度在3.9和5.5克/厘米3之间。相反，大行星或者类木行星（土星、天王星、海王星和冥王星）直径在43000和137000公里之间，密度为0.71到2.47克/厘米3。在类地行星中，火星最像地球。

　　火星的直径是地球的一半。它的密度3.94克/厘米3，比地球的密度5.52克/厘米3小许多。地球表面岩石的密度为2.7克/厘米3到3.2克/厘米3，因此地球内部必然有密度更大的物质。地球内部密度较大的主要原因是：内部的岩石比表面更富铁和镁，并在中央有个金属铁核。另外一个原因是岩石的重量压缩内部物质使其密度稍微增大。火星表面似乎不会有比地球或月亮岩石密度大得多的岩石。通过简单地假设火星由像地球或月球的岩石组成，并假定它们在内部受到压缩但比地球中心受的压缩较小，我们就能解释观测到的密度值。

　　火星不具有大的金属核的另一标志是它的惯量矩，也就是由绕其轴自转来储集运动能的能力的量变。（一个均匀球体的惯量矩是该球体质量m的0.4倍乘以其半径的平方R2，乘以角速度W）地球的惯量矩是0.33mR2W，因为其一大部分质量在其内部深处的金属核上。对火星来说该数值为0.375mR2W，根据我们所说的表面岩石的压缩，这表明火星没有大的金属核。

　　火星离太阳的距离是日地距离的1.52倍，所以火星表面每平方厘米接受的太阳能只是地球的43％。因此火星比地球冷得多。火星的旋转轴与其轨道面倾斜25°，所以像地球一样，火星具有明显的气候季节。因为火星的轨道更偏椭圆，它的北半球季节的分明程度和经历的时间不同于它的南半球。

　　火星北极在火星最接近太阳的时候，斜离太阳，并且最快地移离开去。

　　因此北部的冬天持续156天，而北部的夏天为177天。火星大气比地球的大气密度小得多，其成分也很不同。在火星表面大气总压力是地球表面的百分之一。由红外光谱观测推断了火星大气的成分，它检测到占主要地位的二氧化碳和少量的水。可能出现的另一些气体是氮（它是地球大气圈中最大量的气体），还有氩，不过这些气体用光谱技术不易检测。

　　除了最高峰的顶部之外，火星表面的总压力的范围是从3到8毫巴，顶峰的压力的数量级是1毫巴。相反，地球表面的大气压力大约是1000毫巴，在3千米高程降到大约一半。火星大气具有很少但可明显识别的水。如果所有这些水都凝结，就会在火星表面形成只有0.03毫米厚的一层薄膜。水的量明显地取决于季节。冬季时期，极区检测不出大气水，但在夏季晚期水量增到最大。

　　由于火星远离太阳，它的表面是冷的。夏天赤道地区午后最高温度是22℃左右，而在日出前降到－70℃。这个行星的最低温度出现于冬季的极区，所测到的温度可以冷到－138℃。这种大的温度变化引起了特大风，风速为每秒数百米。尽管火星大气是很稀薄的，但强烈的风常常引起巨大的尘暴漫及整个行星。

　　除了环形坑似乎更低缓外，火星的环形坑地区非常像月球的高地，低缓的原因可能是大量的风所吹扬的尘土物质的充填和坑的外环被风侵蚀所致。

　　火星的大的平滑地区（月球上也有对应物）被认为是由火山熔岩流和风吹沉积物联合造成的。大的盾火山集中在经线80°和220°之间。其中最大的一个是水精灵奥林匹克火山，估计有23公里高，是地球上最高的火山夏威夷的冒纳罗亚火山高度的两倍以上。火星极区覆盖着冰盖，它随季节而进退。残留的夏季冰盖被认为是固态二氧化碳，而冬季广泛分布的冰盖则是水结的冰。若干沟谷状特点被识别出来，并被认为是火星上过去液体水活动的证据。火星高地似乎满布着直径20公里的平底坑；然而较小的碗状环形坑处于不饱和状态，其不饱和程度以10的因次下降。南半球环形坑地区延展到南纬

　　70°，环形坑总数减少。大环形坑之间的地区是相对平坦无起伏的。坑间区被认为是由坑的溅出物和可能的火山及风吹堆积物构成的。这类物质掩盖了小坑，故可用来解释小坑少见的原因。幔覆物质似乎向南极方向增厚，并能识别出认为是火山熔岩流前锋的特征。

　　火星上也已经鉴定出环形盆地，它们与月球上的类似特征相对应。像月球的情况一样，盆地越大，环的数目越多。人们普遍同意，环状盆地由陨石的冲击作用形成的，陨石的大小由几十公里到数百公里。现在已经描述的有六个环状盆地。其中最大的是海利斯，其中心在经度295°南纬45°。这个盆地外径大于2000公里，比月球上的最大环状盆地雨海大得多，雨海的直径为1500公里。

　　火星火山比地球上多数火山大得多。（虽然月球也有几个具有玄武岩流喷溢的大型区域，但相对应的火山并不存在。）最大的火星火山，水精灵奥林匹克火山直径600公里，具有一系列直径数十公里的顶峰破火口。火山的边沿大约有2公里高。

　　火星有一条大型裂谷系，在30°和100°经度间延伸4000公里，靠近赤道地区。这个大峡谷显然是一种构造特征而不是侵蚀地貌。峡谷的东端并入一个形状不规则、顶部平坦的巨大的地块中，该地块是由低丘陵和低地形成的，地块周围为环形坑高地。

　　大峡谷的西端分支成为一系列小得多的凹陷。

　　比起月球和地球来，火星上的风蚀作用要重要得多。月球实际上没有大气圈，因此也就没有风蚀作用。在地球上，与火星不同，风的侵蚀作用不如水的侵蚀作用的影响重要。1971年后半年的一次大尘暴携带了大量的细尘粒，它是那么强烈以致使火星的地貌为之改观。尘埃似乎有较高的二氧化硅含量，表明火星像地球和月球一样，基本上是由硅酸盐组成的。风的侵蚀作用似乎侵蚀着地貌上较高的部位并在低的地方沉积了一些物质。一般地说，这种侵蚀作用似由赤道地区带走物质而在极区沉积成类似砂丘的地貌特征。若干大的平坦的平原区覆盖着浅色和暗色的条带，在火星9号观测期间，这些条带的位置和形态都发生了变化。这些条带被认为相当于地球上具有较少的砂覆盖着的沙漠区。

　　火星的物理性质

　　火星地球平均直径（公里）6775.012742.1赤道直径（公里）6786.812756.3极直径（公里）6751.612713.6密度（克/厘米3）3.945.52惯量矩0.375mR20.33078mR2离太阳平均距离（公里）227941000149600000离太阳最大距离（公里）249226000152100000离太阳最小距离（公里）206656000147100000轨道偏心率0.09330.0167赤道对黄道面（地球轨道面）的倾角1.85°0.0°赤道对轨道的倾角25.2°23.45°绕太阳公转的周期（天）687.00365.26自转周期24∶37∶2223∶56∶04一天24∶39∶3524∶00∶00逃逸速度（公里/秒）4.011.2表面重力（厘米/秒2）380978Mascon质量浓集一个将月球中的浓集与其超出预期的重力平衡的质量结合起来的术语。质量浓集在月球上直径大于200公里的所有环状月海盆地上造成正的重力异常。

　　质量浓集是重要的，因为它们表明自质量浓集形成以来就没有达到过均衡平衡。因为月海盆地中的岩石年龄都大于30亿年，所以我们推断质量浓集也是在30亿年前形成的。这些关系表明月壳有足够的强度来保存这种数十亿年前的大型特征。相反，地壳在不到1百万年的时间就转变为均衡平衡。见LunarGeology［月球地质］条。