摘要：一、行星基本概况火星作为太阳系八大行星之一，归类于类地行星，其轨道位置介于地球与木星之间，是距离太阳第四近的天体。在太阳系行星尺寸排序中，火星仅大于水星，为第二...
一、行星基本概况
火星作为太阳系八大行星之一，归类于类地行星，其轨道位置介于地球与木星之间，是距离太阳第四近的天体。在太阳系行星尺寸排序中，火星仅大于水星，为第二小的行星。其显著的橘红色外观，源于表面广泛分布的赤铁矿（Fe₂O₃）矿物。在地球观测条件下，火星属于肉眼可见天体，亮度仅次于金星、月球和太阳，多数时间暗于木星。
火星拥有以二氧化碳为主要成分的稀薄大气，表面环境寒冷干燥，地质景观丰富多样，包括大量撞击坑、峡谷、沙漠及极地冰盖等特征。其直径约为地球的 53%，自转轴倾角（25.19 度）与自转周期（24 小时 39 分 35 秒）均与地球接近，但公转周期较长，约为 686.98 个地球日，接近地球公转周期的两倍。火星系统包含两颗形状不规则的天然卫星 —— 火卫一（Phobos）与火卫二（Deimos）。
由于火星存在大量证据表明其曾拥有类似地球的宜居环境，且蕴含丰富资源，使其成为当前国际航天领域的重点研究对象。
二、名称溯源
在古代中国天文学体系中，火星被称为 “荧惑”，得名于其 “荧荧如火，亮度与位置变化显著，令人迷惑” 的观测特征。基于五行学说，因属性对应 “火”，故官方定名 “火星”。在西方语境中，火星名称源自罗马神话中的战神马尔斯（Mars），这一命名体系延续至今。
三、物理特性解析
3.1 基础物理参数
火星的物理参数呈现出与地球的显著差异：
直径约为地球的 50%、月球的 2 倍
质量约为地球的 11%、月球的 9 倍
表面重力加速度为地球的 38%、月球的 2.4 倍
体积相当于地球的 15%，表面积略小于地球陆地总面积
密度显著低于其他类地行星（水星、金星、地球）
长期观测表明，火星南半球地势普遍高于北半球，北极地区存在大型撞击盆地。地质研究推测，约 45 亿年前，一颗冥王星大小的天体与火星发生剧烈碰撞，可能导致了火卫一和火卫二的形成，并造成火星内核热能大量散失，使其无法通过发电机效应维持全球性磁场。
由于火星体积较小，相对表面积与体积比高于地球，导致核心冷却速度更快，地质活动逐渐停滞，磁场与板块运动消失。太阳风因此得以剥离大部分大气，造成地表气压极低，使得液态水在低温环境下即会沸腾，无法稳定存在于表面。
3.2 地质特征
火星属于典型的沙漠行星，地表广泛分布沙丘与砾石，缺乏稳定液态水体，大气中常悬浮沙尘，每年均会发生尘暴现象。与地球相比，火星地质活动处于相对不活跃状态，其主要地貌特征多形成于远古地质活跃期，包括密集的陨石坑、火山构造与峡谷系统，其中包含太阳系最高的山峰 —— 奥林帕斯山（海拔约 21.2 千米）和最大的峡谷 —— 水手号峡谷。
火星地质存在显著的南北半球差异：南半球为古老的撞击坑高地，北半球则是较年轻的平原；两极地区均有以水冰为主体的极地冰盖，表面覆盖的干冰随季节变化发生升华与凝结。
基于撞击坑密度的测年方法，火星地质年代划分为四个阶段：
前诺亚纪（约 46-41 亿年前）：无实质地表遗存，南北地形差异形成，可能存在全球性磁场
诺亚纪（约 41-37 亿年前）：陨石撞击频繁，火山活动旺盛，可能存在温暖潮湿的大气环境与水活动痕迹
西方纪（约 37-30 亿年前）：火山活动持续但减弱
亚马逊纪（30 亿年前至今）：大气稀薄干燥，水以固态形式存在（极地冰盖、地下冰层等），风蚀与风积作用主导地表改造
3.3 地理特征与命名体系
火星制图史始于约翰・马德勒与威廉・比尔，1840 年他们结合十年观测绘制了首张火星地图，采用字母标注地表特征（如子午线湾标注为 a）。1858 年，安吉洛・西奇首次将 “水道” 概念应用于火星地理命名（如大西洋水道）。1867 年，理查德・普罗克托开始以观测者姓名命名火星地貌特征。1877-1886 年间，乔范尼・夏帕雷利绘制的火星地图所采用的命名体系被广泛接受并沿用至今。
当前火星地名命名规则包括：
大型反照率特征保留传统名称，随科学认知更新（如奥林匹克雪原更正为奥林帕斯山）
大型陨石坑以著名科学家与科幻作家命名
小型陨石坑以地球村镇名称命名
火星车探测区域特征可使用临时名称或绰号
特殊纪念命名（如哥伦比亚山丘群以航天飞机遇难宇航员命名）
火星经度采用 0-360 度东经坐标系统，地形类型多样，包括高山、平原、峡谷等。1976 年海盗号探测器发现的南北半球地形差异，引发了北半球平原本为古海洋的科学假说。1999 年起，火星全球勘测者通过激光测高构建了精确的全球地形图，确定奥林帕斯山为最高点（海拔 21.2 千米），希腊平原为最低点（低于基准面 8.2 千米）。
3.4 内部结构
火星内部结构通过表面观测与间接数据推断得出，呈现三层结构：
核心：半径约 1830 千米，由高温（1900-2000K）高密度液态金属物质构成，主要成分为铁、镍、硫、氧和氢
地幔：硅酸盐组成，黏度高于地球地幔，早期活动形成了火星的板块与火山构造，目前已趋于静止；约 500 千米深度开始出现部分熔融的软流层，延伸至 1050 千米深度过渡至内核
地壳：平均厚度约 50 千米，最大厚度达 125 千米，主要元素为硅、氧、铁、镁、铝、钙和钾
尽管火星缺乏活跃的板块运动，洞察号探测器仍记录到频繁的火震活动（2019 年超过 450 次）。研究表明，火星地幔缺乏类似地球下地幔的热绝缘层。
3.5 大气环境
火星大气层具有以下特征：
平均地表气压约 6 百帕，仅为地球表面气压的 0.6%（相当于地球 35 公里高空气压）
气压存在季节性变化，幅度可达 20%
垂直结构分为低层大气、中层大气、上层大气和外气层
成分构成：95% 二氧化碳，3% 氮气，1.6% 氩气，微量氧气与水汽
大气中悬浮大量尘埃，吸收蓝光导致天空呈现黄褐色
2003 年地面望远镜首次在火星大气中检测到甲烷，2004 年火星奥德赛号予以确认。由于甲烷易被紫外线分解，其存在暗示火星可能存在持续的产生机制（火山活动、地质过程、天体撞击或生物活动等）。2013 年好奇号观测显示甲烷浓度极低（0.18±0.67 ppbv），ExoMars 痕量气体分析仪未检测到甲烷，降低了产甲烷微生物存在的可能性，但不排除非产甲烷微生物的存在。
火星表面平均温度约 240K（-33℃），高于理论计算值（210K），这归因于二氧化碳的温室效应。由于大气稀薄，保温能力弱，地表昼夜温差极大：白天可达 28℃，夜晚可降至 - 132℃，平均温度 - 52℃。
大气环流以单胞环流为主，赤道热空气上升流向极地，冷却后下沉返回赤道。季节性二氧化碳在两极的升华与凝华造成南北气压差，形成季节性环流，易引发全球性尘暴。火星气象事件具有较高的重复性，预测难度低于地球。
2008 年凤凰号探测器观测到火星降雪现象，雪花在到达地表前即升华，形成幡状云。火星风速可达地球飓风风速的 100 倍。
3.6 水文特征
火星表面存在大量流水活动遗迹，包括洪水冲刷形成的河道、降雨或地下水作用的痕迹，多数形成于远古时期。冲沟作为较新的地形特征，多分布于撞击坑壁，其成因存在争议（液态水作用或干冰驱动的物质滑动）。
火星南北极冰盖主要由水冰构成，表面覆盖干冰层：北极干冰层约 1 米厚，南极约 8 米厚，冬季凝华增厚，夏季部分升华，南极干冰不会完全消失，形成永久极冠。极区存在层状沉积构造，与地球极地冰层相似。北极冠直径 1100 公里，厚 2 公里，体积 82.1 万立方公里；南极冠直径 1400 公里，最厚 3.7 公里，体积约 160 万立方公里。两极冰冠的螺旋状凹谷，推测由光照与温度差异导致的水冰融解凝结差异形成。
2011 年火星勘察卫星发现，南极冠干冰储量相当于大气总量的 80%，模拟显示其在十万年周期的气候变迁中，可导致大气总质量数倍变化。火星奥德赛号观测表明，极区至纬度 60° 区域的表层土壤（1 米内）含冰量超过 60%，暗示存在大量地下冰层。
火星存在水的直接证据包括：
2008 年凤凰号发现的白色颗粒物质（4 天后升华，确认为冰）
凤凰号加热土壤样本检测到水蒸气
2013 年好奇号发现火星土壤含水量达 1.5-3%（重量比）
2015 年火星勘测轨道飞行器发现季节性液态盐水痕迹（斜坡暗色条纹）
2018 年意大利科学家在火星南极冰层下 1.5 千米处发现直径 20 千米的液态盐水湖（温度 - 10℃）
四、运动规律
火星与太阳的平均距离为 1.52 个天文单位，公转周期 1.88 地球年（687 地球日或 668.6 火星日）。其公转轨道受太阳系天体引力影响存在周期性变化：离心率在 0.002-0.12 间波动，具有 9.6 万年和 210 万年的变化周期（地球为 0.005-0.058，周期 10 万年和 41.3 万年）。
火星自转周期为 24 小时 39 分 35.244 秒（1.027 地球日），自转轴倾角 25.19 度，与地球相近，但倾角变化范围更大（13-40 度），周期长达上千万年，这是由于缺乏类似月球的大型卫星稳定自转轴所致。
倾斜的自转轴导致火星存在明显的四季变化，每季长度约为地球的两倍。由于轨道离心率较高（0.093），各季节长度不均：北半球春夏比秋冬长约 40 天（远日点接近北半球夏至）。火星气候还受以下因素影响：
轨道离心率造成的日射量年度差异
二氧化碳与水汽在两极间的季节性迁移
地表反照率差异导致的热力效应
尘暴对能量平衡的影响（高层大气增温与地表降温）
自转轴倾角与轨道参数长期变化引发的气候变迁
五、卫星系统
火星拥有两颗天然卫星：
火卫一（Phobos）：直径约 22 公里
火卫二（Deimos）：直径约 12 公里
两颗卫星均呈不规则形状，表面布满撞击坑，以近圆形轨道绕火星赤道面运行。由于距离火星较近，火卫一从火星表面观测约为满月直径的 1/2-1/3，白天可见。两颗卫星均被火星潮汐锁定，始终以同一面朝向火星。
火卫一公转周期（约 4 小时）快于火星自转，因此从火星观测呈现西升东落；火卫二公转周期（约 2.4 火星日）略慢于火星自转，呈现东升西落。由于潮汐力作用，火卫一轨道半径逐渐减小，预计 760 万年后将因低于火星洛希极限（3620 公里）而瓦解；火卫二则因距离较远，轨道逐渐外移。
关于卫星起源，存在捕获小行星假说与撞击成因假说（原始卫星被潮汐力击碎后重新吸积形成）。两颗卫星于 1877 年由阿萨夫・霍尔发现，命名源自罗马神话中战神马尔斯的两个儿子福波斯（恐惧）与得摩斯（ terror）。
六、宜居性与生命探测
6.1 生命存在证据探索
1984 年在南极洲发现的火星陨石 ALH84001（碳酸盐陨石），被美国国家航空航天局认为可能包含微体化石结构，引发关于火星生命存在的争议。反对观点认为该陨石从未长期处于液态水存在的温度条件下，不具备生命活动基础，双方争议持续至今。
海盗号探测器曾对火星土壤进行微生物检测，部分结果呈阳性，但未获科学界广泛认可，争议持续存在。火星大气中微量甲烷的来源解释包括生物活动与非生物过程（如地质作用）。
6.2 载人探测计划
由于火星与地球的相似性及相对较近的距离，成为人类外星殖民的首选目标。2004 年美国总统布什提出载人火星任务为长期太空探索目标；NASA 与洛克希德・马丁合作研发猎户座航天器，计划 2020 年前实现载人登月，为火星登陆做准备；2007 年 NASA 局长麦可・格里芬宣布预计 2037 年前实现载人火星登陆。欧洲空间局（ESA）计划于 2030-2035 年间实施载人火星任务。
此外，火星学会创始人罗伯・祖宾提出 “直达火星” 低成本方案，计划使用重型运载火箭（如战神五号或猎鹰九号），省略轨道组装与月球补给站，直接发射小型航天器前往火星。
火星作为太阳系中与地球最为相似的行星，其宜居性研究与生命探测始终是航天探索的核心课题，未来的探测任务将进一步揭示这颗红色星球的奥秘，为人类深空探索与星际移民奠定基础。
