“火星大冲”登场:火星明暗变化是什么原理(组图)

2018-07-28 15:54:04    所在频道:  知识    来源: 科普中国

2016年“火星冲日”时哈勃太空望远镜拍摄的火星

  作为2018年的重磅天象之一,火星在7月27日13时12分上演了“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。

  啥是火星?啥又是“大冲
 

  “火星大冲”示意图(1990年-2005年)

  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。

  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。

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