火星冲日——2024-2025

一幅描绘火星北极盖（NPC）的画作，展现了极地层状沉积物（PLD），记录了火星约12万年来的气候变化。画作作者：卡洛斯·E·埃尔南德斯。

2025年，业余天文学家将通过观测红色行星火星的冲日来迎接新年。火星冲日大约每26个月（2年零2个月或789天的朔望周期）发生一次。冲日时，火星将成为双子座中一颗“璀璨的红星”。

红色星球火星

火星绕太阳运行的平均距离约为 1.42 亿英里（或 2.28 亿公里）。这个距离大约是地球与太阳距离的 1.52 倍，也称为一个天文单位（AU：一个天文单位约等于 9300 万英里或 1.5 亿公里）。火星绕太阳运行的周期为 687 天（1.88 年或 1 年零 11 个月），也称为恒星周期。火星的朔望周期（一个天体相对于另一个天体回到天空中相同位置所需的时间）为 780 天（约 2.2 年或两年零两个月），此时火星处于冲日状态。外行星（在地球轨道之外绕太阳运行的行星）的冲日发生在从地球上看它与太阳正对面（180 度）的时候。在冲日期间，地球和火星的距离最近。

火星的季节比地球（365.25天或1个地球年）更长，因为它是一颗外行星，绕太阳公转的周期为687天（1.88年）。火星的季节长度不规律，最长的季节是北火星春季（194个火星日；1个火星日等于24小时37分22.7秒），最短的季节是北火星秋季（143个火星日）。行星科学家在描述火星季节时使用术语Ls（即太阳沿火星黄道面或轨道面的经度），其中

Ls 0° = 火星北半球春季，Ls 90° = 火星北半球夏季，Ls 180° = 火星北半球秋季，Ls 270° = 火星北半球冬季（与南半球季节相反）。当前火星季节比地球季节晚约85°（例如，地球的北半球春季等于火星北半球冬季）。

火星是距太阳第四远的行星。火星绕太阳运行的平均距离为1.46亿英里（2.35亿公里），相当于1.52个天文单位（AU，一个天文单位约等于9300万英里或1.5亿公里）。

火星直径为4221英里（6792公里，相当于地球直径的53%）。火星自转周期为24小时37分22.7秒（或1.03天，也称为一个太阳日）。火星的轴倾角为25.2度，而地球的轴倾角为23.5度。火星表面平均气压为600帕斯卡（Pa，或0.087 PSI）。气压范围从奥林匹斯山的30帕斯卡（0.0044 PSI）到希腊平原的1155帕斯卡（0.1675 PSI）。

因此，火星表面主要气压为地球的0.6%（101.3千帕或14.69磅/平方英寸）。火星表面重力为地球的38%。火星大气主要由二氧化碳（96%，CO2）、氩气（1.93%，Ar）、氮气（1.89%，N2）、氧气（0.146%，O2）和水蒸气（0.021%，H2O）组成。

地球与火星的对比。火星直径约为地球的53%，质量约为地球的10%。火星的一个太阳日（或太阳日）为24小时37分22秒。火星表面重力约为地球的38%。

火星的卫星

火星有两颗卫星，名为火卫一（希腊语“恐惧”之意）。火卫一是火星内侧的一颗土豆状卫星（平均半径为11公里），绕火星运行，平均距离火星表面6000公里。火卫一绕火星运行一周的周期为7小时39分钟，每个火星日两次从西方升起，在4小时15分钟或更短的时间内穿过火星天空，然后从东方落下。

火卫二（希腊语中意为“恐怖”）是火星最外层的卫星（平均半径为6.2公里），它绕火星运行，距离火星23460公里，轨道周期为30.3小时，东升西落。由于它的周期比火星的一天（24.7小时，即1个太阳日）要长，因此在火星赤道上的观测者大约需要2.5天才能看到它升起和落下。

这两颗火星卫星都是由美国天文学家阿萨夫·霍尔三世 (1829-1907) 于 1877 年在华盛顿特区的美国海军天文台发现的（火卫二于 8 月 12 日发现，火卫一于 8 月 18 日发现）。

一幅描绘火星内部卫星火卫一绕火星运行的画作。火卫一与火星的轨道非常接近，它从西方地平线升起，每4小时15分钟穿过火星天空一次，每个火星日在东方落下两次。

火星冲日点（远日点和近日点）

火星的冲日周期为15.8年，由三到四次远日点冲日和三次连续的近日点冲日组成。火星冲日的朔望周期约为780天（约2年零2个月）。火星近日点冲日（在近日点（Ls 250°）60°以内）与地球的距离可能在3470万英里（5580万公里）以内，最大视直径可达25.11角秒。在近日点冲日期间，火星的南半球通常可以从地球上看到。远日点冲日（在远日点（Ls 70°）60°以内）通常距离超过6200万英里（1亿公里），而火星的北半球通常可见。

2024 年 8 月 6 日至 2025 年 5 月 15 日期间火星视大小的模拟。火星图像由 Stellarium 提供。

火星冲日

火星将于 2024 年 8 月位于蛇夫座，然后穿过射手座、摩羯座、水瓶座、双鱼座、白羊座、金牛座，最后于 2025 年 1 月 16 日到达双子座。

直到 2025 年 8 月 29 日，火星都可在天赤道上空看见。火星的逆行运动（外行星通常跟随地球在恒星之间从西向东旋转。当地球（内行星）追上以较慢速度绕太阳运行的火星（外行星）时，外行星似乎在恒星之间“向后”移动，现在正从东向西移动。此时外行星可能看起来形成了一个环。）于 2024 年 12 月 6 日（11.6° Ls）开始，并持续到 2025 年 2 月 24 日（48.4° Ls），届时它将似乎向西移动到金牛座上空。

此次火星冲日被认为是远日冲日，因为火星的轨道经度与远日点经度（70° Ls）相差39.1°。由于两颗行星的轨道偏心率不同，火星最接近地球的时间并不总是与冲日的时间相同。此次火星最接近地球的时间是2025年1月12日（世界时13:38，29.2° Ls），距离地球0.642825个天文单位（AU；地球与太阳的平均距离。一个天文单位约等于9300万英里或1.5亿公里）或59,703,891英里或90,084,099公里。届时火星的视直径将达到14.6角秒。 2025年1月16日冲日（世界时02:32，南纬30.9°）时，火星的视直径将略小，为14.5角秒。冲日后，火星将在天空中可见约10个月，直至2025年11月24日左右消失在太阳的光芒中。

火星北极帽

虽然火星在此次冲日期间距离地球较远，但这将为业余天文学家提供更深入地观察北极盖（NPC）及其周边区域的机会。火星的北极盖（NPC）通常在火星远日冲日期间可见，而南极盖（SPC）则在近日冲日期间更为明显。北极盖（NPC）以及南极盖（SPC）的扩张和后退是由于火星的轴倾角与地球相似（25.19° 对 23.44°）。春季一个极盖的解冻会导致另一个极盖的形成。

北极冠（NPC）由四层组成。最底层称为基底单元（或NPC的基底），由水冰粘合而成的沙尘构成。据估计，该层厚度约为1000米（3300英尺）。基底单元上方构成NPC主体的层称为极地层状沉积物，厚度可达200​​0米（6600英尺）。极地层状沉积物由大气尘埃混合形成，因此，它们反映了火星气候随时间的变化，类似于树木的年轮。

据信，火星的轴倾角在12万年的周期内变化了15到50度，其中较长的变化周期为120万年。巧合的是，火星的轴倾角此时约为25.2度，而地球的轴倾角为23.5度。每一层尘埃和冰可能代表着8000到800万年的周期，但根据火星轨道的周期性变化，平均周期被认为是12万年。

NPC 有一个永久的残留水冰盖，由水冰 (H2O) 组成，位于极地层状沉积物上方，并有一个临时的薄季节性冰盖或饰面（约 3 英尺（1 米）厚），由冻结的二氧化碳 (CO2 或干冰组成）。南极冰盖 (SPC) 有一个永久的冻结二氧化碳覆盖层，厚度约为 26 英尺（8 米）。NPC 的直径可达约 750 英里（1,200 公里），最大厚度为 1.8 英里（3 公里）。根据美国宇航局火星轨道器激光高度计 (MOLA) 的测量，冰盖被峡谷和槽谷切割，这些峡谷和槽谷深入地表以下 0.6 英里（1 公里），或到达基底单元。

北冰洋冰盖（NPC）包含约160万立方公里的水冰（H2O；相比之下，格陵兰冰盖的冰盖为285万立方公里）。在北冰洋冰盖上空可见由下降风（由高密度气流在重力作用下从高海拔沿斜坡向下流动而产生）形成的螺旋槽。

北极冰盖残余（异常值）

在北半球春末夏初，随着北极帽（NPC）从其冬季最大范围逐渐消退，观测者/成像仪将能看到三个明亮的凸起，或称离群点。根据区域中心经度位置，它们分别是伊尔内（Ierne）137°、利莫里亚（Lemur）（奥林匹亚）200°和塞克罗皮亚（Cecropia）297°。这些NPC残迹在小于8至10英寸（20-25厘米）的孔径下可能难以观测到，通常需要稳定的观测条件。

里玛·特努伊斯

特努伊斯裂谷（Rima Tenuis）是位于北极冰盖（NPC）的一条暗裂谷，由意大利天文学家乔瓦尼·维吉尼奥·斯基亚帕雷利（Giovanni Virginio Schiaparelli，1835-1910）于1888年使用意大利米兰布雷拉天文台一台8.6英寸（21.8厘米）f/14.7折射望远镜发现。当时的天文学家，包括比利时天文学家弗朗索瓦·J·特里（Francois J. Terry，1846-1911）和法国天文学家亨利·约瑟夫·阿纳斯塔斯·佩罗坦（Henri Joseph Anastase Perrotin，1845-1910；使用著名的尼斯天文台一台30英寸（76厘米）折射望远镜）也证实了这一发现。

直到1933年和1950年，纤细云状水滴才再次被观测到。1979年，火星观测者丹尼尔·M·特罗伊阿尼（Daniel M. Troiani）再次观测到它，当时它位于西经335°的北半球云状水滴（NPC）上，形成了一个暗槽。1980年和1982年，业余天文学家探测到纤细云状水滴并拍摄了照片。1980年2月22日，洛厄尔天文台天文学家小查尔斯·F·卡彭（Charles F. Capen, Jr.，1926-1986）和英国著名天文学家/作家/电视主持人帕特里克·阿尔弗雷德·考德威尔-摩尔爵士（Sir Patrick Alfred Caldwell-Moore，1923-2012）使用位于美国亚利桑那州弗拉格斯塔夫市火星山的洛厄尔天文台24英寸（61厘米）f/16折射望远镜，在一次观测中发现了纤细云状水滴。

火星云状云的平均火星经度在西经129°至331°之间。遗憾的是，哈勃太空望远镜（HST）和绕火星运行的航天器至今仍未能拍摄云状云状云状的图像并确认其存在。北极地区（NPR）上空经常会形成沙尘暴，并将尘埃沉积在NPC上，有时还会形成深色尘埃条纹。云状云状云状云可能是北极帽（NPC）上反复出现的尘埃条纹，但奇怪的是，它却多次形成于同一经度？未来对北极帽（NPC）在当前远日冲日期间以及2027年（2月19日）和2029年（3月25日）冲日期间的图像和观测结果，或许有助于解答这一神秘特征？

大气湍流（视宁度）

在地球上进行观测和成像的天文学家，在影响图像质量（清晰度）的大气环境下观测和成像行星和恒星。虽然观测者/成像者无法控制头顶大气的稳定性或湍流，但他们可以采取措施来提高观测质量，以产生尽可能清晰、稳定的图像。业余天文学家常犯的一个最大错误是没有给望远镜留出足够的冷却时间，尤其是在存放在混凝土或钢结构内时。观测者/成像者可能会认为夜间大气湍流（视宁度）状况不佳，但问题在于热流影响了仪器的最终图像。在观测开始前，尽量将仪器暴露在空气中至少一到两个小时。业余天文学家应尽量避免在高温表面（例如混凝土、沥青或任何其他可能保留白天热量的表面）上进行观测或成像。顺风观测，尤其是使用牛顿反射望远镜时，也能改善目镜中的图像，因为观测者可以避免体温流经仪器孔径，从而避免产生湍流图像。天体最清晰的视图通常是在物体接近子午线（天空中划分东西地平线的中线）和天顶（物体在头顶的最高位置）时获得的。大气湍流（或视宁度）尺度已被开发，用于评估物体在望远镜视场中的稳定性。

皮克林视宁度等级（0-10；由哈佛大学天文台天文学家威廉·亨利·皮克林（1858-1938）制定）：

1 — 如果能看到第三个衍射环，星像的直径通常约为其两倍；星像直径为 13 角秒（13 英寸）。

2 — 图像偶尔会显示第三个环直径的两倍（13 英寸）。

3 — 图像的直径与第三个环（6.7 英寸）大致相同，并且中心更亮。

4 — 中央艾里衍射盘通常可见；有时在较亮的恒星上可以看到衍射环弧。

5 — 艾里斑始终可见；在较亮的恒星上经常看到弧线。

6 — 艾里斑始终可见；短弧不断出现。

7 — 有时圆盘轮廓清晰；衍射环呈现长弧或完整的圆圈。

8 — 圆盘始终轮廓分明；环看起来像长弧或完整的圆圈，但始终处于运动状态。

9 — 内层衍射环静止。外层环暂时静止。

10 — 完整的衍射图案是静止的。

在这个等级中，1 到 3 被认为是非常糟糕，4 到 5 被认为是差，6 到 7 被认为是好，8 到 10 被认为是优秀。

安东尼亚迪视宁度表（IV；由希腊裔法国天文学家尤金·米歇尔·安东尼亚迪（1870-1944）开发）：

• I — 完美视力，无颤抖。
• II - 轻微波动，平静片刻持续几秒钟。
• III - 视宁度中等，空气震动较大。
• IV - 视力不佳；持续出现令人烦恼的波动。
• V——视力非常差；甚至无法画出草图。

 天文设备

望远镜是天文学家的工具，它捕捉光线并将其聚焦成望远镜目镜视野中的图像。天文学家在观测或成像过程中，受制于头顶大气的影响，而观测者/成像者使用的望远镜则可以进行优化，以充分利用稳定的观测时间。观测者或成像者通常希望使用最大口径的仪器（透镜或反射镜），以提高物体的对比度和分辨率。如果大气（以及足够冷却的仪器）允许，大于 4 英寸（10.2 厘米）的口径，尤其是大于 6 至 8 英寸（15.2-20.3 厘米）的口径，将为观测者/成像者提供对比度最高的清晰图像。这还假设业余天文学家使用的是衍射极限光学系统（透镜或反射镜表面的面形精度，峰谷偏差不超过光波的四分之一）。

仪器，尤其是反射式设计的仪器，必须进行准直，才能在目镜中产生尽可能清晰的图像。互联网上提供了多种准直仪器的方法以及准直设备。所使用的目镜对于形成尽可能清晰、对比度最高的图像也至关重要。业余天文学家可以使用许多优秀的目镜设计，包括经典的阿贝正交镜、普罗索目镜、布兰登目镜，以及采用计算机优化光学元件、优质玻璃甚至防水光学元件的新型目镜设计。典型的视场范围包括阿贝正交镜的45度到现代广角目镜设计的约100度。行星观测通常不需要大于65-70度的视场，但作者使用了80到100度之间的目镜设计，并获得了优异的效果。

一般来说，观测者应该使用能产生最清晰图像的最高放大倍数，这是假设衍射极限光学元件（物镜和目镜）、观测条件、准直和望远镜储热造成的热变形。如果大气非常稳定，观测者可以使用 60 倍望远镜口径（英寸）的放大倍数，尽管在平均观测夜晚，30-40 倍口径更有利于产生清晰图像。逐步增加放大倍数以产生最清晰图像是确定特定观测会话的适当放大倍数的好方法。根据我的经验，在观测者决定观察月球、行星和小型深空天体（例如行星状星云）等物体的大多数夜晚，0.8-1 毫米的出瞳直径就很有用。

选择目镜 作者：Scott W, Roberts

行星过滤器

对于业余天文学家来说，在观测和拍摄月球和行星时，彩色滤光片是一个非常实用的配件。彩色滤光片由多家制造商销售，有 1.25 英寸（32 毫米）和 2 英寸（50 毫米）两种尺寸，可以拧到合适的目镜或 CCD 相机底部。彩色滤光片会根据其各自的颜色透射特定波长的光。

筛选	拉滕号	% 反式	评论
浅黄色	8	83	照亮沙漠地区 使蓝色变暗， 褐色特征 （孔径 4 英寸至 6 英寸）。
黄色的	12	74	照亮沙漠地区 使蓝色变暗， 褐色特征 （8” 至 10” 孔径）。
深黄色	15	66	照亮沙漠地区 使蓝色变暗， 褐色特征 （12.5 英寸及更大光圈）。
橙子	21	46	增加对比度 明暗特征 穿透雾霾和 大部分云。有限 检测尘云 （孔径 4 英寸至 6 英寸）。
橙红色	23A	二十五	增加对比度 明暗特征 穿透雾霾和 大部分云。 灰尘检测有限 云层（8”至10”孔径）。
红色的	二十五	14	增加对比度 明暗特征 穿透雾霾和大多数 云。有限的检测 尘云。 （12.5英寸及更大光圈） 帮助定义极地盖层 四肢。
深红色	二十九	6	增加对比度 明暗特征 穿透雾霾和 大部分云。有限 检测尘云 （12.5英寸及更大光圈） 帮助定义极地盖层 四肢。
浅绿色	57	三十二	使红色和蓝色变暗 功能。增强霜冻 斑块、表面占用、 和极地投影。
绿色的	58	24	使红色和蓝色变暗 功能。增强霜冻 斑块、表面占用、 和极地投影。
蓝绿色	64		帮助检测冰雾和 极地雾霾。
蓝色的	80A	三十	显示大气云层， 白云、枝叶薄雾， 赤道云带， 以及极地云层 使红色特征变暗
蓝色的	38A	17	显示大气云层， 白云、枝叶薄雾， 赤道云带， 以及极地云层 使红色特征变暗
紫色	四十七	10	标准过滤器 检测。并评估 蓝色或紫色的清澈。
浅洋红色	三十	二十七	增强红色和蓝色 特征。变深绿色 改善极地地区 特征和一些火星 云。
浅洋红色	三十五	80	增强红色和蓝色 特征。变深绿色 改善极地地区 特征和一些火星 云。
品红	33	5	增强红色和蓝色 特征。变深绿色 改善极地地区 特征和一些火星 云。

用望远镜绘制火星

绘制火星观测图其实并不像看起来那么难。观测者通常会制作一张42到50毫米的空白圆盘，用来绘制火星的观测图。

绘制火星的精确图画的第一步也是至关重要的一步是仔细绘制行星圆盘上可见的主要反照率特征（暗特征和亮特征）的轮廓。

观测者可以将可见的圆盘划分为四等份（或八等份），并将可见的反照率特征放置在每个四等份/八等份内。仔细检查生成的轮廓后，观测者开始对可见的最暗的反照率特征进行着色，然后逐渐添加更细微的可见阴影，最终渲染行星最亮的区域（注意不要在行星最亮的特征（例如北极冠或南极冠和边缘云）上留下铅笔痕迹）。

这幅画的目的并非创作一件艺术品，而是要呈现特定时间段内行星表面的可见景象，并训练观察者在研究这颗红色星球脆弱的表面和大气层时，能够随着时间的推移发现更细微的细节。重要的是，观察者要让这个过程充满乐趣。

• 火星
• 火星冲日
• 火星逆行
• 火星天气
• 用望远镜观察火星
• 学习绘制火星反照率特征