10.1：最近的行星-概述
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释为什么仅凭基于地球的观测很难了解金星
- 描述太空时代之前我们对火星感兴趣的历史
- 比较地球、火星和金星的基本物理特性，包括它们的轨道
正如你对近邻所预料的那样，火星和金星是夜空中最亮的天体之一。 火星与太阳的平均距离为2.27亿千米（1.52 AU），大约是地球距离太阳的一半。 金星的轨道几乎是圆形的，距离太阳1.08亿公里（0.72 AU）。 像水星一样，金星有时表现为 “晚星”，有时以 “晨星” 的形式出现。 金星比任何其他行星都更接近地球：在最接近的地方，它离我们只有4000万公里。 火星离地球最近的距离约为5600万公里。
外观
金星看起来非常明亮，即使是小型望远镜也能发现它会像月球一样经历相位。 伽利略发现金星显示了各种各样的相位，他以此为论据来表明金星必须绕太阳而不是环绕地球。 地球的实际表面不可见，因为它被密集的云层所笼罩，这些云层反射了落在它们身上的大约 70% 的阳光，这使研究底层表面的努力受挫，即使摄像机在环绕地球的轨道上运行（图\(\PageIndex{1}\)）。
相比之下，从望远镜上看，火星更具吸引力（图\(\PageIndex{2}\)）。 这颗行星明显是红色的，这是由于（如我们现在所知）其土壤中存在氧化铁。 这种颜色可能解释了它与早期文化传说中的战争（和血液）的联系。 从地面望远镜获得的最佳分辨率约为100千米，或者与我们用肉眼在月球上看到的分辨率差不多。 在这种分辨率下，无法检测到任何地形结构的迹象：没有山脉，没有山谷，甚至没有撞击坑。 另一方面，可以很容易地看到明亮的极地冰盖，还有暗淡的表面标记，轮廓和强度有时会因季节而变化。
在二十世纪之交的几十年里，一些天文学家认为他们在火星上看到了智能文明的证据。 争议始于1877年，当时意大利天文学家乔瓦尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）（1835—1910）宣布，他可以在火星上看到他称之为运河或通道的长而微弱的直线。 在英语国家，该术语被错误地翻译为 “运河”，暗示人为起源。
甚至在 Schiaparelli 进行观测之前，天文学家就已经目睹了明亮的极地帽随着季节的大小而变化，并且看到了暗表面特征的变化。 只要稍加想象，就不难将运河想象成长长的农作物田与灌溉沟接壤，将水从融化的极地冰层带到红色星球干燥的沙漠。 （他们认为极地帽是由水冰组成的，但正如我们很快就会看到的那样，事实并非如此。）
在1916年去世之前，火星上智慧生命最有效的支持者是珀西瓦尔·洛厄尔，他是一位白手起家的美国天文学家，也是富有的波士顿洛厄尔家族的成员（参见《珀西瓦尔·洛厄尔：梦见有人居住的火星》的专题栏）。 洛厄尔是一位熟练的作家和演讲者，他为聪明的火星人提出了在公众看来似乎令人信服的理由，他们在气候恶化的情况下修建了巨大的运河来保护自己的文明（图\(\PageIndex{3}\)）。
但是，聪明的火星人竞赛的论点取决于运河的现实，这个问题在天文学家之间仍然存在严重争议。 运河标记总是很难研究，只是偶尔瞥见，因为大气条件导致火星的微小图像在望远镜中闪闪发光。 洛厄尔到处都能看到运河（甚至是金星上的几条运河），但许多其他观察者根本看不见它们，仍然不相信它们的存在。 当比洛厄尔大的望远镜未能证实运河的存在时，怀疑论者感到有道理。 现在，人们普遍认为直线是一种错觉，这是人类大脑倾向于在随机特征中看到顺序的结果，这些特征在眼睛分辨率的极限下被昏暗地瞥见。 当我们看到表面标记的小而暗的点时，我们的大脑倾向于将这些点连接成直线。
珀西瓦尔·洛厄尔：梦见有人居住的火星
珀西瓦尔·洛厄尔出生于马萨诸塞州富裕的家庭，约翰·博西迪为这个家庭做了著名的敬酒：
这里是个不错的老波士顿，
豆子和鳕鱼的故乡，洛厄尔人与 Cabots 交谈的地方，而 Cabots 只和上帝说话。
珀西瓦尔的兄弟劳伦斯成为哈佛大学校长，他的妹妹艾米成为杰出的诗人。 珀西瓦尔从小就对天文学感兴趣：他在13岁时就对火星进行了观测。 他在哈佛大学的本科论文涉及太阳系的起源，但他并没有立即追求这种兴趣。 相反，他进入了家族企业，并在亚洲进行了广泛的旅行。 然而，在1892年，他决定致力于继续Schiaparelli的工作，解开火星运河的奥秘。
1894年，在哈佛天文学家的帮助下，洛厄尔用自己的资金，在亚利桑那州弗拉格斯塔夫的高原上建造了一个天文台，他希望那里的景象足够清晰，能够以前所未有的细节向他展示火星。 他和他的助手们很快积累了大量的绘画和地图，声称展示了庞大的火星运河网络（见图\(\PageIndex{3}\)）。 他在包括《火星》（1895 年）和《火星及其运河》（1906 年）在内的多本书以及数百篇文章和演讲中详细阐述了他对红色星球居民的看法。
正如洛厄尔所说，
我们所看到的制度似乎是一种毫无节制的思想——当然，这种思维比主持我们自己公共工程各部门的思想要全面得多。 无论如何，党派政治都没有参与其中；因为这个制度是全球性的。。 当然，我们所看到的暗示着存在着在人生旅程中领先而不是落后于我们的生物。
洛厄尔的观点吸引了公众的想象，启发了许多小说和故事，其中最著名的是H.G. Wells的《世界大战》（1897 年）。 在这部著名的 “入侵” 小说中，一个垂死的火星（完全基于洛厄尔的想法）中口渴的居民来用先进的技术征服地球。
尽管洛厄尔天文台最初因其在火星运河上的工作而闻名，但洛厄尔和天文台最终也转向了其他项目。 他开始对在太阳系中寻找第九颗（当时未被发现）的行星感兴趣。 1930年，在洛厄尔天文台发现了冥王星，为新行星选择的名字以洛厄尔的首字母开头并非巧合。 也是在洛厄尔天文台，对星系远离我们的极快速度进行了首次测量，这些观测最终将使我们对不断膨胀的宇宙产生现代看法。
洛厄尔（图\(\PageIndex{4}\)）继续生活在他的天文台里，在53岁结婚，并广泛出版。 他喜欢自己关于火星的说法所引起的争论，远远超过另一方的天文学家，后者经常抱怨洛厄尔的工作使行星天文学成为一个不那么受人尊敬的领域。 同时，几代人之后，洛厄尔的作品（及其解释者）激发了公众对行星的迷恋，这可能有助于粉丝们支持太空计划和许多任务，这些任务的结果为我们的文章增光添彩。
1938 年 10 月，水星空中剧院在广播中将《世界大战》戏剧化为一系列电台新闻报道。 这个广播吓坏了很多人以为洛厄尔的火星人真的在入侵新泽西，引起了一些恐慌。 如果你向下滚动到 “世界大战”，你可以收听原来的电台广播。
行星的旋转
天文学家通过观察永久表面标记的运动，非常精确地确定了火星的旋转周期；它的恒星日为24小时37分23秒，仅比地球的自转周期长一点。 这种高精度不是通过观察火星的单次旋转来获得的，而是通过注意火星在很长一段时间内转了多少圈来获得的。 对火星的良好观测可以追溯到200多年前，在这段时间里，数万个火星日已经过去了。 因此，可以计算出旋转周期在几百分之一秒以内。
火星的旋转轴倾斜度约为25°，类似于地球轴的倾斜度。 因此，火星经历的季节与地球上的季节非常相似。 但是，由于火星年较长（将近两个地球年），因此每个季节持续大约六个月。
金星的情况有所不同。 由于无法通过金星的云层看到表面细节，因此只有通过将雷达信号从地球上反射出来才能找到金星的旋转周期（正如《火山口世界》一章中为水星所解释的那样）。 对金星旋转的首次雷达观测是在1960年代初进行的。 后来，在地球上发现了地形表面特征，这些特征出现在反射雷达信号中。 金星的旋转周期是根据这种 “雷达特征” 在其圆盘上的运动精确确定的，为243天。 比金星旋转需要多长时间更令人惊讶的是，它向后或逆行方向（从东到西）旋转。
停一会儿，想想这种缓慢的旋转使金星上的日历变得多么奇怪。 行星绕太阳运行需要225个地球日，绕其轴线旋转需要243个地球日。 因此，金星上的一天（定义是它旋转一次）比一年长！ 因此，太阳返回金星天空中的同一个位置所花费的时间——我们可以用另一种方式定义一天的含义——原来是117个地球日。 （如果你在金星上说 “明天见”，你将有很长时间等待。） 尽管我们不知道金星向后旋转缓慢的原因，但我们可以猜测它在太阳系形成过程中可能遭受过一次或多次极其强大的碰撞。
金星和火星的基本特性
在单独讨论每颗行星之前，让我们比较一下它们之间以及与地球的一些基本属性（表\(\PageIndex{1}\)）。 金星在许多方面是地球的双胞胎，其质量是地球质量的0.82倍，密度几乎相同。 地质活动的平均量也相对较高，几乎与地球上的活动量一样高。 另一方面，金星的大气层表面压力比我们的大气层高近100倍，与地球的大气层完全不同。 金星的表面也非常热，温度为730 K（超过850°F），比烤箱的自清洁周期还要高。 金星提出的主要挑战之一是理解为什么这对双胞胎的大气和地表环境与我们自己星球的大气和表面环境有如此明显的差异。
| 财产 | 地球 | 金星 | 火星 |
|---|---|---|---|
| 长半轴 (AU) | 1.00 | 0.72 | 1.52 |
| 期间（年） | 1.00 | 0.61 | 1.88 |
| 质量（地球 = 1） | 1.00 | 0.82 | 0.11 |
| 直径 (km) | 12,756 | 12,102 | 6,790 |
| 密度 (g/cm3) | 5.5 | 5.3 | 3.9 |
| 表面重力（地球 = 1） | 1.00 | 0.91 | 0.38 |
| 逃生速度 (km/s) | 11.2 | 10.4 | 5.0 |
| 轮换周期（小时或天） | 23.9 小时 | 243 d | 24.6 小时 |
| 表面积（地球 = 1） | 1.00 | 0.90 | 0.28 |
| 大气压力 (bar) | 1.00 | 90 | 0.007 |
相比之下，火星相当小，其质量仅为地球质量的0.11倍。 但是，它比月球或水星都要大，而且与它们不同的是，它保留了稀薄的大气层。 火星也足够大，足以支持遥远的过去的大量地质活动。 但是火星最令人着迷的是，很久以前，它可能有浓密的大气层和液态水的海洋，这是我们与生命发展相关的条件。 今天，在火星表面以下的受保护环境中，甚至有可能存在某种形式的生命。
关键概念和摘要
最近的行星金星由于其无法穿透的云层覆盖而在望远镜上令人非常失望。 火星更诱人，有深色斑纹和极地帽子。 二十世纪初，人们普遍认为火星的 “运河” 代表着那里的智慧生命。 火星的质量只有地球的11％，但金星在大小和质量上几乎是我们的双胞胎。 火星在 24 小时内旋转，季节与地球相似；金星的逆行旋转周期为 243 天。 这两颗行星都被航天器广泛探索。