火星地图“变形记”

0 中国国家天文 2020-07-20 17:51:05

摘要：

人类对火星的理解从来不是线性的。让我们以“火星地图”为线索，回溯人类对火星的理解是如何拨开迷雾、从浅入深；火星又如何从一个夜空的亮点，演变为我们现在熟知的红色邻星；这一路波澜壮阔、跌宕起伏，亦描绘了我们对宇宙未来征途的宏大畅想。

火星地貌初显露

从时间轴上来看，火星地图的发展历程颇为有趣，那些关于火星的重大发现似乎总是发生在地球和火星最靠近的年份，随着“火星冲日”到来。

虽然火星与地球每两年靠近一次，但每次二者间的距离都不同，距离最近的冲日叫“大冲”，平均每15或17年才会发生一次，届时地球上的天文学家们会不约而同地把望远镜指向火星，期待重大发现。

1636

17世纪的星空，摆脱了中世纪的神权掌控，科学得以驰骋。人类的第一张火星素描就诞生于1636年火星冲日时。

第一幅火星素描，意大利律师兼业余天文学家方塔纳绘制了火星相位变化，弗朗西斯科·方塔纳绘于1636年（左）、1638年（右），白色圆面代表火星，中心的“黑色小药丸”是望远镜缺陷引起的暗斑。/ Francesco Fontana

1659

第一个被识别出来的火星特征发现于1659年的火星冲日，因为外形酷似一个沙漏，被它的发现者惠更斯形象地叫做“沙漏海”，它也就是如今被称为“大瑟提斯高原”的一片直径1300多公里的黑色玄武岩地区。

1659年，荷兰天文学家惠更斯绘制的火星“沙漏海”（今名“大瑟提斯高原”）。/ Huygens

就像外星人在搜寻太阳系行星时最先发现的一定是木星或土星那样，人类在窥探火星时，最先看到的也一定是最明显的“沙漏海”（大瑟提斯）。它是海洋？陆地？云层？还是植被？人类对此一无所知，这种情况还会持续一百多年。

1672

1672年的火星大冲见证了“海上马车夫”称霸世界，荷兰天文学家惠更斯也是这个时代的领军人物，继“沙漏海”之后，他又发现了火星的白色极冠。同年，法国天文学家卡西尼测出了火星到地球的距离，结合开普勒第三定律，人类终于知道了自己所在的太阳系有多大。

1672年火星大冲惠更斯的火星手绘，除了“沙漏海”，还看到了火星极冠（靠上的圈）。/ Huygens

第一代使用望远镜的火星观测者们也遇到了第一个技术瓶颈——色差。受这种技术缺陷限制，天文学家对火星表面的描绘仅限于火星地表最大块的特征。为了攻克这一难题，诞生了一大批拉长焦距的“悬空”望远镜。但随着1695年惠更斯去世，“悬空”望远镜也因操作繁琐被一同尘封。随后火星研究进入近一个世纪的 “漫漫长夜”。

1673年，为了减小色差，波兰天文学家赫维留制造的望远镜长达45.7米。

1781年

这次15年一遇的火星大冲目睹了“日不落帝国”殖民全球；与大不列颠一同崛起的，还有牛顿发明的反射式望远镜。相对深陷“色差窘境”的折射式望远镜，经过哈德利改进的反射式望远镜到赫歇尔时，已经大有可为。

赫歇尔用自制的反射“大炮”精确测量了火星的大小、自转周期和自转倾角，证实火星存在大气和云层，并推测火星存在季节变化，他还猜测火星极冠由冰雪组成，每个特征都像极了地球。

1781年，赫歇尔绘制的火星草图，细节丰富了许多，南北极冠都有体现。

不同于赫歇尔认为火星上的明暗斑块是地表特征，同时代另一位杰出观测者施罗德给他投了一票反对，他认为那些朦胧的暗斑是火星上的云层，而非地表。

施罗德绘制的火星草图，18世纪末，火星最主要的特征依然是一个世纪前的“沙漏海”与极冠。

18世纪末，人类对火星本体的研究已初见成效，尽管“沙漏海”到底是地表特征还是云层？火星上的特征到底是不是永久性的？这类问题还困扰着天文学家，也还未有人绘制过真正意义上的火星地图，就像没有人会给云画地图一样……但火星依旧成为了太阳系中最像地球的行星。

你没看错，这个今天我们耳熟能详的观点早在18世纪就已成共识！

1840

工业革命带来技术爆炸，能消除色差的折射式望远镜问世，成像远胜反射镜，天文学自此进入“折射纪元”。德国天文学家贝尔和梅德勒用这种望远镜经过细致的研究和对比，确认那些明暗斑块是火星永久性地表而非云层。1840年，他们出版了第一张真正意义上的、有经纬线的火星地图，并用字母为火星地貌命名。

1840年，贝尔和梅德勒绘制了人类的第一张火星地图，用一个形似“小布丁”的地貌（a）确定了中心经线，它把火星分成东西两半。

贝尔和梅德勒用火星赤道以南8°的一个小圆点确定了火星中心经线，这个小圆点在他们的火星地图上标记为““a”，因为又小又圆，二人戏称其为“小布丁”。“布丁”虽小，权威性却以不亚于赤道，把火星一分为二。163年后，火星马拉松之王“机遇号”就在这里登陆，不过那时这片区域早已被人类改名为“子午线平原”。

1858

1858年火星冲日时，人们对于“火星极冠由冰川组成”已达成共识，那么冰川消融形成海洋也成必然。意大利天文学家西奇给“沙漏海”起了一个新名字“大西洋河道（Atlantic Canale）”，想象着这片海洋分隔了火星上的旧大陆与新大陆。这是单词“canale”（意大利语“河道”）首次出现在火星上，西奇一定想不到，就是这个单词即将把火星地图引向歧途。

1858年，西奇绘制了人类第一张彩色的火星图，浅色象征陆地，深色代表海洋。

1864

得益于望远镜分辨率的提高，火星表面更细微的结构逐渐显现。1864年英国天文学家普罗克特出版的火星地图上，当年的“小布丁”已经“发育”成分叉的峡湾（即地图中央的Dawes Forked Bay），他使用了人名给地貌命名，这相比字母是一大进步，但他使用的主要是英国科学家的名字，这一做法欧洲其他国家的天文学家并不买账。

1864年，英国天文学家普罗克特出版的火星地图。（注：此时的火星地图均为“上南下北，左东右西”）

火星“运河”时代

19世纪末，最明亮的火星大冲即将到来。

此时的欧洲，望远镜的放大倍数已接近极限，继色差和衍射之后，影响火星观测的终极瓶颈出现了——大气视宁度。它让星光闪烁，无法稳定成像，远超人类的控制范围！对于此时还没有太空望远镜的火星观测者们来说，更多细节只能自行脑补……火星乌龙的出现似乎也顺理成章了。

1877年

1877年有两幅重要的火星地图问世，一张来自意大利的斯基亚帕雷利，另一张来自英国的纳撒尼尔·格林。前者是发现了每年8月英仙座流星雨来源于斯威夫特-塔特尔彗星的专业天文学家，后者是曾给维多利亚女王画肖像的科班绘画大师。

1877年意大利天文学家斯基亚帕雷利绘制的火星地图，“沙漏海（efh）”已经更名为沿用至今的“大瑟提斯”，他也是第一个看到“奥林匹斯山”的人。
1877年英国画家纳撒尼尔·格林绘制的火星地图，其中对地貌的命名基本与普罗克特一致。

斯基亚帕雷利先使用测微仪精准描绘了火星上的62个基准点，再将其余部分补充完整，他声称自己看到了火星上的“河道（canali）”，并以古典文学和《圣经》中的地名给火星地貌取名。纳撒尼尔·格林的地图更讲求艺术美感，地形命名则沿用了他的英格兰同僚普罗克特的“英国科学家专有制”。

由于使用了大众喜闻乐见的名称给火星地貌命名（例如把“沙漏海”取名为“大瑟提斯”），斯基亚帕雷利的火星地图很快就被大众接受了。他发现火星“河道”的消息也随即得到了广泛认同。如果你是一位19世纪末的欧洲天文学家，多少也要宣称自己看到了几条“河道”，不然可能会被同行瞧不起——就像“皇帝的新衣”——只有天才和傻子才会去质疑时任米兰布雷拉天文台台长的这一“重大发现”。

1884

也许你读过一本叫《大众天文学》的经典科普读物，作者是弗拉马利翁，就生活在斯基亚帕雷利那个年代。1884年，弗翁也绘制了自己的火星地图，并随自己的另一本科普读物《行星火星》印刷出版，他声称自己也看到了斯老眼中的“河道”，而且相信火星上的智慧生命有能力改造原始河流使之成为全球性的循环系统。

1884年法国天文学家弗拉马利翁出版的火星地图，当年的“小布丁（a）”被命名为“子午线湾（Sinus Meridiani）”，当代命名沿用了这个叫法，称作“子午线平原（Terra Meridiani）”。

1905

想象力并不总是好事，意大利语“河道（canali）”漂洋过海到美国成了英语“运河（canals）”，在苏伊士运河（Suez Canal）刚刚通航的时代背景下，这无疑是一种暗示——火星上也有人在修运河！

1905年，罗威尔的火星地图已经变得有些奇异，综合交错的“运河”从两极向赤道延申，途径的黑点是沙漠中的“绿洲”。

文学家出身，正在亚洲做纺织生意的罗威尔机缘巧合下得到了弗翁的著作。从此，来自欧洲的火星“运河”承包了罗威尔余生的全部兴趣。“20世纪初，火星上居住着一群忙于南水北调的水利工程师”，火星运河狂潮在“教父”罗威尔的传播下走向了巅峰，文学界、艺术界、音乐界、商界也纷纷涌进这股狂潮，火星上有“人”已然成为全地球的共识。

1916年罗威尔去世，随他而去的，还有整个火星“文明”。

第一次世界大战短暂中断了人类对火星的研究，也让人们恢复冷静，重新审视这颗红色邻居。照相机、光谱仪、无线电之类新装备的应用让火星有“人”的证据接连蒸发，火星又渐渐变得不那么像地球了。

绘制现代火星地图

1929

1929年，曾在弗翁手下打工的学徒安东尼亚迪已经下山自立门户，他总结了望远镜发明以来这三百年间火星观测者们的各种成果，出版了当时最精细的火星地图，统一了火星地貌的名称，这套命名最终得以沿用至今。

1929年安东尼亚迪出版的火星地图，这张地图上的命名大部分沿用至今。

1962

1962年，新时代前夕，美国空军为“水手4号”飞掠火星的任务提前绘制了一张火星地图，这也是人类进入宇航时代之前的最后一张手绘火星地图。也许是因为即将以“正立视角”目击火星，在经历了三百多年的演变后，火星地图终于变成了上北下南，就像我们今天常看到的那样。

1962年美国空军为水手4号飞掠提前绘制的火星地图，虽然当时科学家们已经用光谱仪基本排除了火星有水的可能，但这张地图上还是保留着一些“运河”残影，未来可期，希望“水手4号”能有意外发现。

1965年，“水手4号”发回了21张火星近距离照片。期望越高，失望越大，人类三百多年的等待最终只换来了怪石嶙峋。没有火星人，没有运河，更没有植被，它看上去只比月球多了一层薄薄的大气。

1973

太空竞赛如火如荼，1972年第一个环绕火星的人造卫星“水手9号”顺利入轨。次年，NASA联合《国家地理》出版了第一张根据航天器数据绘制的火星地图。这张地图的背面是一幅火星尘暴想象画，创作灵感及数据来自于“水手9号”，刚抵达火星时它凑巧赶上了有史以来火星表面最大规模的沙尘暴。

1973年国家地理出版的火星地图，正面信息包括五个角度的火星反照率地图、火星季节变化规律、轨道特征、逆行图示、冲日图示、地质、大气、磁场和各种参数。
1973年国家地理出版的火星地图背面，包括一幅火星沙尘暴想象画、火星观测发展史说明、火卫图示以及另一面火星地图上的地貌索引。

2001

冷战结束后，火星探索也进入低谷，二十年无人问津。直到二十世纪末，人类重返火星，2001年NASA再次与国家地理合作，出版了新世纪第一张火星地图。每一个角落都由探测器真实拍摄，过去的“小布丁”、“沙漏海”、“太阳湖”的真实面貌终于大白于天下。地图背面是望远镜观测时期的天文学家想都不敢想的，更加详尽的火星知识图解。

2001年国家地理出版的火星地图背面，汇集了当时火星研究的最前沿成果，少了几分浪漫，多了几分严谨。

2016

信息爆炸的互联网时代，2015年火星表面发现液态水的消息一时刷爆朋友圈。2016年，国家地理再次出版火星地图，这次的地图上不仅标注了之前历次火星登陆任务的降落点，还列举了大量将来有可能成为探测器甚至宇航员的登陆地点。地图背面的火星基地蓝图更是极富未来感，当代人类已经不仅仅满足于学习火星，而是如何在哪里生存。

2016年国家地理出版的火星地图背面，火星地球化已经发展为一门完善的学科，有一套系统的方法指导未来的人类如何改造火星、移民火星。