火星地理
火星地理（英语：Geography of Mars）或火星地形（英语：Areography）为火星的自然地理，是对火星上的地貌进行描述和表征。火星地理学主要集中于地球上所谓的自然地理学上，即对火星自然特征的分布及地图学的表达。
历史
火星观测起源于地面望远镜，且主要在火星位于相对于地球为冲、也就是火星冲的时候，约每两年一次，因为此时火星距离地球最近，最易观察。而距离更短则是在近日点冲，因火星位于近日点附近。
1877年9月（当年9月5日为火星近日点冲），义大利天文学家乔范尼·夏帕雷利首先出版了详细的火星地图，和月球一样以暗区为海（Mare）等水体、亮区为陆地。其中包括著名的canali（channels，河道）（后来被认为只是错视），他以著名河川命名这些长条暗线。之后被错误地翻译为canals，也就是火星运河的起源。
火星暗区为水体或植被的想法，到了NASA1960年代水手号计画中的水手4号探测火星才告结束。之后的海盗号、火星全球勘测者亦有长期观测，而后者1996年发射、工作至2006年，更是绘制了详尽的火星地图。
反照率特征
大瑟提斯区
第勒尼安海
辛梅利亚海
湾
小瑟提斯
以上为火星全球勘测者于1999年所摄之火星可见光影像地图，为圆柱投影，中央为经度0°，纬度0°，上为北。显示反照率特征，深蓝色字为亮区，亮蓝色字为暗区。不像月球的月海等暗区常表示低地，火星的明暗地区分布与地形无关，原因是地表有较明亮、随风迁移的沙子，沙子覆盖之处即成亮区。但并非上图的亮区皆为沙子，像是南北极的极冠，或是云，如希腊平原的大片卷云。
比较海盗号和火星全球勘测者的影像，会发现明暗特征已有变化[1]，总体来说暗区面积增加，而暗区吸收入射光的比例较亮区高，也就是反照率较低，故导致了气候变化，如气温上升、风向改变等。
地形
以下地形图可点选地形特征进入相关页面。
以上地形图是依火星全球勘测者探测资料绘制，以麦卡托投影显示南北纬约70.2°之间，中央为经度0°，纬度0°，上为北。麦卡托投影的好处是形状不变，圆形的陨石坑到高纬仍是圆形，只是尺寸放大了。颜色代表高度，可由右上角的图例得知。光线是由东北方斜照，而关于地形尺寸与坡度的真实情况，使用Google地球软体会更明了。
概述
火山
水文
火星地表遍布著水流的遗迹，有些是洪水蚀刻而成，有些则是降雨或地下水流动而形成，但大部分都已年代久远。冲沟则是另一类规模较小的地形，但形成年代十分年轻，常分布于撞击坑壁，形态多样。关于成因有两派说法，一派认为是由流水造成，另一方则认为是凹陷处累积的干冰促使了疏松物质的滑动。[2]
火星南北极有明显的极冠，曾被认为是由干冰组成，但实际上绝大部分为水冰，只有表面一层为干冰。这层干冰在北极约1公尺厚，在南极则约8公尺厚，是冬季时凝华而成，到夏季则再度升华进入大气，不过南极的干冰并不会完全升华。[3]夏季仍存在的部分称为永久极冠，而整体构造称做极地层状沉积（Polar Layered Deposits），和地球南极洲与格陵兰冰层一样为一层层的沉积构造。北极冠宽达1,100公里，厚达2公里，体积82.1万立方公里[4]；南极冠宽达1,400公里，最厚达3.7公里，体积约1.6百万立方公里。[5]两极冰冠皆有独特的螺旋状凹谷，推论主要是由光照与夏季接近升华点的温度使沟槽两侧水冰发生差异融解和凝结而逐渐形成的。[6][7]
2011年由火星勘察卫星的浅地层雷达发现南极冠有部分原本认为是水冰的地层其实是干冰，所含二氧化碳量相当于大气含量的80%，这比以往认为的要多很多。根据此的模拟结果，十万年一周期的气候变迁中借由干冰升华、凝结，大气总质量的变化幅度会达数倍。[8][9]由这些干冰沉积上方地表的下陷与裂隙判断，干冰正在慢慢升华。[10]
自海盗号即发现，火星北半球中纬度有几处峡谷底含有条纹流动状的地表特征，但不确定是富含冰的山崩、含冰土的流动或是尘砾覆盖的冰河。但根据更新任务的资料与比对地球的相关地形，支持这些是冰河，且推测是自转轴倾角较大时的气候状态下所累积的。[11]
由火星奥德赛号X射线光谱仪的中子侦测器得知，自极区延伸至纬度约60°的地方表层一公尺的土壤含冰量超过60%[12][13]，推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere）。
另外一个关于火星上曾存在液态水的证据，就是发现特定矿物，如赤铁矿和针铁矿，而这两者都需在有水环境才能形成。[14]
对于于火星上有冰存在的直接证据在2008年6月20日被凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。2008年7月31日，美国航空航天局科学家宣布，凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生，从而最终确认火星上有水存在。
2013年9月26日，美国航空航天局科学家报告，火星探测车好奇号发现火星土壤含有丰富水分，大约为1.5至 3重量百分比，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。[15][16][17][18]
2015年9月28日，美国航空航天局宣布，在火星上发现液态的盐水。根据火星勘测轨道飞行器配备的光谱仪获得的数据，研究人员在火星的神秘斜坡上发现了水合矿物。这些暗色条纹表明火星地表随时间变化有流水存在。 在较温暖的季节，这些线条的颜色变得更深，表明水流在斜坡上出现，在较冷的季节，这些地表特征变浅。在火星的部分地区，最高温度可以达到摄氏零下23度，此时深色线条最明显。[19]
地图与测量
地形测量
20世纪早期地面以无线电波测量火星地形。1976年海盗号进行的地形测量，发现了峡谷和南北半球的巨大差异，而衍生出北方平原本是海洋的假说，如1989年帕克等人提出两条可能的海岸线。[20]自1999年火星全球勘测者进行更精确的地形测量，并发现一些支持Parker海岸线的证据。[21]
目前广泛使用的全球地形图（也就是前面的图）是火星全球勘测者的火星轨道器激光高度计（MOLA）从1999到2001年累积六百多万次的雷射测量并修正后所得。[22][23]方法是已知卫星位置，以雷射来回时间计算地表至地心的距离，再减去基准面－－火星大地水准面即得地形高度。
火星大地水准面（Areoid，对应Geoid，地球的大地水准面）是一个接近平均海拔的重力等位面，是人为计算并选择的，并非真实存在。重力等位面垂直重力场，相当于人感觉到的水平面与上下高低，故以重力作为测量地形高度的依据。又地球的大地水准面近似于传统的基准面－－海平面，故作为地形高度的基准面。且虽然大体上是一个椭球面，但因各处的质量分布不均导致有不规则起伏，如在塔尔西斯、乌托邦平原等处为突起。[24]目前采用的是戈达德火星重力模型（Goddard Mars Gravity Model）。[22]
除了大地水准面，还有以最接近的椭球面或水的三相点的气压：610帕为基准，测出来的地形高度亦互不相同，例如奥林帕斯山的高度值就有很多种，甚至达27公里。以下是几个例子（单位为公尺）：[25]
| 地形特征 | 以Areoid为基准 | 以椭球面为基准 | 以610帕为基准 |
|---|---|---|---|
| 奥林帕斯山 | 21287 | 22663 | 24736 |
| 艾斯克雷尔斯山 | 18219 | 19183 | 21472 |
| 阿尔西亚山 | 17781 | 18633 | 20945 |
| 埃律西昂山 | 14127 | 14586 | 16707 |
| 帕弗尼斯山 | 14057 | 14937 | 17307 |
| 亚拔山 | 6770 | 7209 | 9056 |
| 赫克提斯山 | 4853 | 5035 | 7086 |
| 欧伯山 | 3925 | 4185 | 6301 |
| 希腊平原最深处 | -8180 | -8510 | -6462 |
- 注：另有资料显示不同高度值：奥林帕斯山21229公尺；艾斯克雷尔斯山18225公尺；埃律西昂山14028公尺；帕弗尼斯山14058公尺；希腊平原最深处-8200公尺。[26]
另外可用视差法测量地形，即以稍微不同的角度观看同物体，来判别立体形状。这早已应用于航照图的地形判断，现在一些探测器如火星勘察卫星、火星快车号和火星探测漫游者，应用高解析度照片建立区域的高解析度地形模型，或制成立体照片，需带上红蓝立体眼镜观看。
地图分区
美国地质调查局（USGS）依经纬度将火星地表分为30个四方格区（Quadrangle），纬度以0°、30°、65°分隔，经度则六或八等分，以传统地名命名。而代号前的MC表示火星图表。下表显示各区名称，中央为经度0°，纬度0°，上为北。[27]
| MC-01 北海区 | |||||||||||||||||||||||
| MC-02 迪阿克里亚区 |
MC-03 阿耳卡狄亚区 |
MC-04 阿西达里亚海区 |
MC-05 伊斯墨纽斯湖区 |
MC-06 卡西乌斯区 |
MC-07 刻布壬尼亚区 | ||||||||||||||||||
| MC-08 亚马孙区 |
MC-09 塔尔西斯区 |
MC-10 卢娜沼区 |
MC-11 奥克夏沼区 |
MC-12 阿拉伯区 |
MC-13 大瑟提斯区 |
MC-14 阿蒙蒂斯区 |
MC-15 埃律西昂区 | ||||||||||||||||
| MC-16 门农尼亚区 |
MC-17 凤凰湖区 |
MC-18 科普莱特斯区 |
MC-19 珍珠湾区 |
MC-20 示巴湾区 |
MC-21 雅庇吉亚区 |
MC-22 第勒尼安海区 |
MC-23 埃俄利斯区 | ||||||||||||||||
| MC-24 法厄同区 |
MC-25 陶玛西亚区 |
MC-26 阿耳古瑞区 |
MC-27 挪亚区 |
MC-28 希腊区 |
MC-29 艾利达尼亚区 | ||||||||||||||||||
| MC-30 南海区 | |||||||||||||||||||||||
经纬坐标
- 零度经线
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，德国天文学家威廉·比尔和约翰·海因里希·冯·马德勒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乔范尼·夏帕雷利采用作本初子午线。在1972年，水手9号测绘火星地貌后，沿着比尔和马德勒的线，兰德公司的默顿·戴维斯(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：是一个位于子午线湾或子午线高原的小陨石坑（稍后被称为艾里-0）。
- 两种坐标系统
火星坐标系统有两种，一种采用地理纬度（planetographic latitude）与西经（西经0度至360度），另一种采用地心纬度（planetocentric latitude）与东经（东经0度至360度），两者皆由国际天文学联合会认可使用。早期的观测是使用前者，2002年决定未来制图时使用后者（不过2001年MOLA制作的地图属于后者）。[28]
地名命名
早期
约翰·海因里希·冯·马德勒和威廉·比尔虽然因月球地图而闻名，他们也是首先的火星制图者。他们以大部分地表特征是固定的为出发点，订出火星自转周期，在1840年的计算只比现在差了0.1秒。1830年，梅德勒结合了十年的观察绘制了第一张火星地图。他们并没有为各特征命名，而是以字母标示，如子午线湾（Sinus Meridiani）为 a。
往后大约二十年，随著仪器进步和观测者增加，很多名称开始出现，如太阳湖（Solis Lacus）称为眼（Oculus），大瑟提斯则为沙漏海（Hourglass Sea）或蝎子（Scorpion）。1858年，安吉洛·西奇命之为大西洋水道（Atlantic Canale）。他解释：“它就好像地球的大西洋，分隔开旧大陆与新大陆。”而这是水道（canale）——义大利语可解释为水道（channel）或运河（canal）——第一次使用在火星上。
1867年，理查德·安东尼·普罗克托（Richard Anthony Proctor）不加修饰地取自威廉·鲁特·道斯（William Rutter Dawes）于1865年所绘的地图，绘了一张火星地图。他以一些观测者的名字来命名各特征。以下列出，与乔范尼·夏帕雷利于1877至1886年所绘之地图中所使用的相比较。[29]夏帕雷利用的较为广泛接受，至今仍使用：
- 凯撒海(Kaiser Sea) = 大瑟提斯高原 (Syrtis Major)
- 洛克耶地(Lockyer Land)= 埃里亚和希腊平原 (Aeria and Hellas)
- 曼尼海(Main Sea)= 摩里斯湖 (Lacus Moeris)
- 赫歇尔二世海峡(Herschel II Strait)= 示巴湾 (Sinus Sabaeus)
- 道斯大陆(Dawes Continent)= 埃里亚和阿拉伯台地 (Aeria and Arabia)
- 德拉鲁洋(De La Rue Ocean)= 厄律特里亚海 (Mare Erythraeum)
- 洛克耶海(Lockyer Sea)= 太阳湖 (Solis Lacus)
- 道斯海(Dawes Sea)= 提托诺斯湖 (Tithonius Lacus)
- 马德勒大陆(Madler Continent)= 克律塞平原、俄斐峡谷、塔尔西斯(Chryse, Ophir, Tharsis)
- 马德勒海(Maraldi Sea) = 塞壬海或客墨里安海 (Maria Sirenum and Cimmerium)
- 塞奇大陆(Secchi Continent)= 门农区 (Memnonia)
- 胡克海(Hooke Sea)= 第勒安尼海(Mare Tyrrhenum)
- 卡西尼地(Cassini Land)= 奥索尼亚 (Ausonia)
- 赫歇尔一世大陆(Herschel I Continent)= 仄费里亚、埃俄利斯、埃塞俄比亚 (Zephyria, Aeolis, Aethiopis)
- 欣德地(Hind Land)= 利比亚 (Libya)
普罗克特的命名法常遭批评，因为他选的多是英国的天文学家，也因为一些名字不只使用一次。尤其道斯就出现不下六次：道斯洋(Dawes Ocean)，道斯陆(Dawes Continent)，道斯海(Dawes Sea)，道斯峡(Dawes Strait)，道斯屿(Dawes Isle)，道斯叉湾(Dawes Forked Bay)。即使如此，这个命名法也不是那么令人厌恶，且这些缺点也由后来的天文学家所改进。
现代
现在，火星地名有多种来源。大的反照率特征保留传统名字，但常随著真正性质的发现而更新，如Nix Olympica（奥林匹克雪原）变成Olympus Mons（奥林帕斯山）。
大陨石坑以重要的科学家和科幻作家命名；小陨石坑则以地球上的村镇命名。
一些火星车所研究的地表特征会加上暂时名称或绰号，以利辨别标示。然而，一些特征如以哥伦比亚号太空梭灾难上七名太空人的名字命名的哥伦比亚山丘群，希望能得到国际天文学联合会的永久使用。
用语
火星地形或地表特征用语是采拉丁文，在此列出常用的供对照：（或参考原文（页面存档备份，存于互联网档案馆））
| 用语（, 复数） | 中文译名[30] | 解释 | 实例[30] |
|---|---|---|---|
| Catena, catenae | 坑链 | 一串的圆形凹地，链坑 | Phlegethon Catena 佛勒革同坑链 |
| Cavus, cavi | 凹地 | 浅、不规则、边缘陡峭的凹地，常成列或成群 | Scandia Cavi 斯堪的亚凹地群 |
| Chaos, chaoses | 混杂地 | 破碎地表，混沌地形 | Hydraotes Chaos 海德拉奥提斯混杂地 |
| Chasma, chasmata | 深谷 | 深长、边缘陡峭之凹地 | Echus Chasma 厄科深谷 |
| Collis, colles | 小丘 | 小山丘、圆丘 | Cydonia Colles 基多尼亚小丘群 |
| Crater, craters | 陨击坑 | 圆形凹地，环形山，通常指撞击坑 | Cassini（地图上撞击坑不加Crater，只写名字）卡西尼陨击坑 |
| Dorsum, dorsa | 山脊 | 脊 | Gordii Dorsum 戈尔迪山脊 |
| Fossa, fossae | 堑沟 | 狭长甚至多条并行的谷地，槽沟 | Tempe Fossae 滕比堑沟群 |
| Labes, labēs | 坡地 | 山崩、滑坡 | Ophir Labes 俄斐坡地 |
| Labyrinthus, labyrinthi | 沟网 | 峡谷或山脊复杂交错的地区 | Noctis Labyrinthus 诺克提斯沟网 |
| Mensa, mensae | 桌山 | 顶部平坦、边缘陡峭的突出地 | Sacra Mensa 萨克拉桌山 |
| Mons, montes | 山 | 山 | Phlegra Montes 佛勒格拉山脉 |
| Patera, paterae | 山口 | 不规则环形山，或指复杂、多弧形边的火山口 | Apollinaris Patera 阿波利纳里斯山口 |
| Planitia, planitiae | 平原 | 低海拔平原 | Utopia Planitia 乌托邦平原 |
| Planum, plana | 高原 | 高海拔平原，高原 | Lunae Planum 卢娜高原 |
| Rupes, rupēs | 峭壁 | 陡坡 | Promethei Rupes 普罗米修斯峭壁 |
| Scopulus, scopuli | 断崖 | 叶状、不规则陡坡 | Oenotria Scopuli 欧伊诺特里亚断崖群 |
| Sulcus, sulci | 沟脊地 | 平行的沟、脊 | Lycus Sulci 吕科斯沟脊地 |
| Terra, terrae | 台地 | 广大的地块 | Xanthe Terra 克珊忒台地 |
| Tholus, tholi | 山丘 | 小、圆顶的山或丘 | Hecates Tholus 赫卡忒山丘 |
| Unda, undae | 沙丘 | 沙丘 | Olympia Undae 奥林匹亚沙丘群 |
| Vallis, valles | 峡谷 | 峡谷 | Kasei Valles 卡塞峡谷群 |
| Vastitas, vastitates | 荒原 | 广大的平原 | Vastitas Borealis 北方荒原 |
用语通常放在名字之后，只有少数置前，如Valles Marineris、Dorsa Brevia。
火星地名列表（页面存档备份，存于互联网档案馆）国际天文学联合会的行星系命名工作组负责命名火星等星球表面的地貌。
火星地形地貌中文推荐译名 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 由中国天文学会天文学名词审定委员会推荐的中文译名。
火星交互式地图
火星全球地形的交互式图像地图。将鼠标悬停在图像上可查看 60 多个著名地理特征的名称，单击可链接到它们。图底颜色表示相对高度，根据来自美国宇航局火星全球探勘者号上火星轨道器激光高度计的数据。白色和棕色表示海拔最高（+12 至 +8 公里）；其次是粉红和红色（+8 至 +3 公里）；黄色为 0 公里；绿色和蓝色是较低的高度（低至 -8 公里）。轴线是经纬度，极地已备注。
参见
参考资料
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延伸阅读
- Sheehan, William, "The Planet Mars: A History of Observation and Discovery" （页面存档备份，存于互联网档案馆） (Full text online) The University of Arizona Press, Tucson. 1996.
外部链接
- USGS Astrogeology: Map-a-Planet （页面存档备份，存于互联网档案馆） 自制各行星卫星地图
- Google Mars （页面存档备份，存于互联网档案馆） Google火星
- PDS Geosciences Node: Data and Services MGS MOLA MEGDRs （页面存档备份，存于互联网档案馆） 此页含MOLA原始资料
- Mars Maps （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- MEC-1 Prototype （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Historical Globes of the Red Planet （页面存档备份，存于互联网档案馆）
