期盼已久的天文奇观夜来了！"火星大冲"率先登场

　　来源：科普中国

　　作为2018年的重磅天象之一，火星将于7月27日13时12分上演“冲日”表演，而且这次“冲日”特别之处在于这是十五年一遇的“大冲”。届时，人们将可以彻夜欣赏到这颗明亮的红色星球在夜空中闪耀。


2016年“火星冲日”时哈勃太空望远镜拍摄的火星

　　且慢？啥是火星？啥又是“大冲”（不是“大葱”哦）？

　　下面我们就一一道来。


“火星大冲”示意图（1990年-2005年）

　　太长不看版

　　本次“火星大冲”，是自2003年8月27日以来发生的“十五年一遇”的首次“火星大冲”，火星与地球之间的距离达到极小（5750万千米），火星将变得又大又亮（视直径24.31”）。



　　7月27日“大冲”当晚，火星的亮度可达-2.8等（星等的数字越小，天体越亮），是全天第4亮的天体（仅次于太阳、月亮和金星，超过了木星），是肉眼观看火星的绝佳机会（日落后50分钟左右，火星从东南方升起，几乎彻夜可见）。

　　如果错过，要等到2035年9月15日才会再次有缘看到夜空中那颗最明亮的火星了。

　　火星的概况

　　火星是位于地球的公转轨道之外的第一颗行星，火星的英文名Mars源于西方罗马神话中战神玛尔斯的名字。


罗马神话中战神Mars的雕像

　　而在中国古代，火星则被称为“荧惑”，因为它的亮度经常变化，而且在天空上的运动轨迹时而从西向东，时而从东向西，让人迷惑。


火星在天球上逆行轨迹的演示动画

　　火星之所以看上去是橙红色的，是因为其表面覆盖着大量赤红色的赤铁矿（主要成分是三氧化二铁）所致。

　　火星是一颗沙漠行星，经常发生沙尘暴，地表除了两极存在着由水冰和干冰为主要成分的极冠，没有稳定的液态水存在（另外，据7月25日的最新一期《科学》杂志称，在火星南极的冰川下，发现了第一个液态水湖，直径约20千米，这也是第一次发现水在火星的持续存在）。


火星上发生沙尘暴前后的对比动画，图左是沙尘暴前，图右是沙尘暴时（2018年7月）

　　火星的直径约为地球的一半，自转周期与地球相近，公转周期约是地球的两倍，表面重力加速度只有地球的2/5左右。想减肥的朋友，去火星就对啦！一下就只有原来体重的一半不到了！


地球与火星的大小对比，图左是地球，图右是火星。

　　火星也是除地球之外最受人类关注的行星（没有之一），因为它的环境在很多方面与地球都很相似。NASA曾做过调查，火星是外太空中大众最想了解的领域。自从1965年7月14日“水手4号”（Mariner 4）传回火星的第一张近景照片以来，50多年来，人类已经陆续向火星发射了40多个火星探测器。


“水手4号”传回的第一张火星特写照片

　　其中就包括“机遇号”火星车（Opportunity rover）这个最为成功的火星探测器（同样没有之一），这个原设计寿命只有90天的小家伙，已经在环境恶劣的火星表面成功工作了14年，行驶里程超过一个马拉松的距离。


“机遇号”火星车

　　此外，今年2月7日由SpaceX公司的重型猎鹰火箭（Heavy Falcon）发射升空的特斯拉红色跑车也在前往火星轨道的途中，之后将前往小行星带。


正飞向火星轨道的特斯拉跑车和搭载的Starman


这辆飞向火星的特斯拉跑车的预计飞行轨道（绿色）

　　火星的亮度为什么变化那么大？

　　前面有提到过，中国古代因为火星的亮度经常变化，加之其运行轨迹不定，故此称其为“荧惑”。那么，火星的亮度（天文学上叫“视星等”）变化到底有多大呢？实际上，火星的视星等变化范围从1.6等到-3.0等，变化幅度达4.6个星等，而星等每相差1等，亮度就相差约2.5倍。因此，火星最亮时（也就是在“火星大冲”时）比它最暗时亮了约12倍！


　　平时看到的火星与“火星大冲”时看到的火星的大小比较示意图，左边是2018年5月的火星，右边是2018年7月31日的火星。

　　与之相比较：

　　夜空中最亮的星――金星的视星等在-4.9等到-3.8等之间，变化只有1.1个星等；

　　行星之王――木星的视星等在-2.94等到-1.6等之间，变化只有1.34个星等；

　　因此，忽明忽暗、明暗反差如此之大（星等变幅可达4.6个星等）的火星让古人感到迷惑就不足为奇了。


金星


木星

　　火星的视亮度变化很大，主要有以下原因：

　　1、火星与地球之间的相对距离变化大，火星与地球的距离最近时约5400万千米，最远时约4亿千米，最远时比最近时距离远了7.4倍，因此亮度变化大。

　　相对另一颗离地球较近的行星金星，金星与地球的距离最近时约4000万千米，最远时约2.6亿千米，两者相差只有6.5倍。

　　这从行星的视直径上也可以得到验证：金星的视直径在10”-66”之间（相差6.6倍），木星的视直径在29.8”-50.1”之间（相差1.7倍），火星的视直径在3.5”-25.1”之间（相差7.2倍）。

　　2、火星属于行星，也就是自己不发射可见光的星球，我们之所以能肉眼看见它，全依赖于它对阳光的反射。

　　天文学上，衡量一个天体反射光线本领大小的物理量叫反照率（albedo），最常用的是球面反照率（Bond albedo），如果100%的将阳光反射出去，返照率就是1（就像镜子一样反射光线），如果完全把阳光吸收而不反射，反照率就是0（就像完全漆黑的大煤球）。

　　行星的球面反照率，地球是0.306，木星是0.343，金星是0.77，火星是0.25，由此可见，金星的反照率最高，离地球的距离也不远，成为夜空中最明亮的星也不奇怪，而火星的反照率最低，它的视亮度更容易受和地球距离远近的影响。

　　“火星大冲”为什么是观测火星的好机会？

　　“冲日”，是指行星绕日公转运行到与太阳视黄经相差180度的位置时，即为“冲日”（Opposition）。“冲日”是外行星才会有的天象，比如“火星冲日”、“木星冲日”等，但绝不可能出现“金星冲日”或“水星冲日”。


2012年-2025年的“火星冲日”时间以及“冲日”时火星与地球的最近距离。

　　“火星冲日”时，火星与地球、太阳几乎成一条直线，地球处于太阳与火星之间。火星与太阳就像在玩捉迷藏，你升起时我落下，你落下时我升起，观测不再受日照的影响，加之火星与地球的距离达到了极小，且火星向阳的半球在“冲日”时完全朝向地球，因此冲日前后是观测火星的好时机，几乎可以整晚看到火星。7月27日的“火星大冲”，日落后火星会从东南方升起，在第二天日出前于西方落下。

　　如果地球和火星的轨道是圆的而且同在一个平面的话，那么“冲日”时的地球与火星之间的距离将是恒定不变的，这个距离将等于它们的公转轨道半长轴之差，约1.5亿千米。


火星轨道与地球轨道存在夹角的示意图，红色表示火星轨道，蓝色表示地球轨道。

　　但事实并非如此，行星绕日公转的是椭圆轨道，并且地球和火星的轨道也不在一个平面上。由于火星的公转轨道较扁，因此当地球在远日点而火星在近日点附近发生冲日时，可以获得最小的地火距离，也即所谓的“火星大冲”。


　　“火星大冲”时地球和火星的最小距离，从2000年1月1日12时起（J2000），前后300年内的变化值（红色圆圈），绿色曲线表示地球轨道和火星轨道之间的最小距离。

　　根据地球和火星的公转轨道根数计算，每隔26个月就会发生一次“火星冲日”（Mars Opposition），下一次的“火星冲日”将发生在2020年的10月13日。

　　而每15年或17年，才会发生一次位于火星近日点附近的“火星冲日”，也就是“火星大冲”，上一次的“火星大冲”发生在2003年8月27日（那次也是近6万年来火星距地球最近的一次），如果错过了本次，下一次的“火星大冲”则要等到2035年9月15日了，还得足足等上17年！


　　本次“火星大冲”与下一次“火星冲日”时看到的火星大小的比较示意图，左边是本次地火距离最近时，右边是下次“火星冲日”时。

　　“火星大冲”，不仅仅是天文学家和天文爱好者观测火星的绝佳机会，也是人类探索火星的最好窗口。“火星大冲”时，由于地火距离达到极小，探测火星的航天器可以在火星冲日前约3个月发射，利用霍曼转移轨道来飞抵火星轨道，可以极大地节省燃料。实际上，迄今人类发射的火星探测器中，绝大多数都是这样做的。


地球-火星的霍曼转移轨道

　　另外还提及一点，“火星大冲”的时刻与地火距离最小的时刻稍微有个小小的差值，“火星大冲”发生在7月27日，地球最接近火星时是在7月31日（距离5760万千米）。

　　“火星大冲”怎么看？

　　肉眼即可观赏15年一遇的“火星大冲”，7月27日日落之后，火星在东南方升起，直到第二天日出前才在西方落下，只要天气晴好，整晚都可见。往东南方和南方找，一颗很亮的橙红色的不会眨眼的星星就是它了！

　　午夜时，火星将在南方天空达到最高点，地平高度约35°。从7月27日至7月30日，火星都会十分明亮，适合观赏。有条件的公众还可借助望远镜对火星进行观测，还有可能看到火星两极的白色极冠。



　　2018年7月下旬，午夜时分向南望去的星空示意图，图中左边橙红色的是火星（Mars），右边白色的是土星（Saturn），图中标注的星座是人马座（Sagittarius）。

　　在观赏又大又明亮的火星时，也要当心一则可能死灰复燃的谣言――“火星大冲时，火星看起来将和满月一般大”，这是2003年上次“火星大冲”时曾出现的一个恶作剧谣言，千万别信！

　　因为火星的视直径最大也就25”，而满月的视直径在0.5°左右，两者相差悬殊。如果火星看上去真和满月差不多大时，那地球就碰到大麻烦了，火星的引力将对地球和月球造成巨大的影响，那无疑会是灾难性的。



　　都市传说不可轻信，“火星大冲”时的“超级火星”不可能看上去和月亮一般大。图中左上表示所谓的大如满月的火星，图中右上是月亮。