迄2016年12月為止，人類已進行了45次火星探測活動。21世紀，人類將全面開展太陽系各層次天體與行星際空間的探測，而火星則是這些探測活動中主要的目標天體。美國、俄羅斯、日本、印度、歐洲空間局等國家或組織都已制訂了各自的長遠的火星探測計劃，每26
個月將發(fā)射2
顆以上的火星探測器，全方位地開展對火星生命信息、環(huán)境、大氣、巖石、水及內(nèi)部構造等的探測與深入研究。中國也于2016年1月啟動了火星探測計劃，將于2020
年前后發(fā)射火星探測器，逐步開展火星和太陽系的空間探測和研究。
《火星科學概論》是一部系統(tǒng)論述火星的資深性科學專著，全書共16章，內(nèi)容涵蓋導言、火星概況、火星探測歷程、火星磁場與磁層、火星電離層、火星大氣層、火星地形地貌、火星化學、火星的巖石與礦物、火星土壤、火星隕石、火星地質(zhì)、火星內(nèi)部結(jié)構、火星生命信息、火星的形成與演化、火星探測的發(fā)展趨勢與展望等，并附火星地名表和火星探測年表。
中國目前已具備自主開展火星探測的能力，將在探月計劃的基礎上，有計劃地開展火星和太陽系的空間探測和研究。本書可為參與火星探測與深空探測工程的科技人員比較全面地了解火星提供基礎性資料，為從事行星科學與火星研究的高校師生提供參考，為關注火星科學研究與火星探測進展的廣大公眾提供火星科學知識的系統(tǒng)論述。
從電影《世界大戰(zhàn)》到《火星救援》，火星從一個駐扎著邪惡怪異外星人的神秘的行星，變?yōu)橐黄ㄩ_大門等待人類征服和移民的土地。然而要移民火星，得首先認識火星。本書回顧了迄今人類對火星的探測歷程，匯集了對火星的研究成果，書中的圖片一展科學相機和探測器下火星的奇妙景觀，為中國火星的火星愛好者、從事探測科技人員、行星科學的研究與教學人員提供了一份不可多得的參考。
當今世界高新科技領域中極具創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性、前瞻性和顯示度的深空探測，是了解太陽系及其各層次天體形成與演化、溯源生命起源等一系列重大基礎性科學問題的最有效手段，是人類進行空間資源開發(fā)利用和保護地球的重要途徑，也是推動人類社會科學、技術、經(jīng)濟等發(fā)展的重要內(nèi)涵。目前，深空探測已成為世界各航天大國科技探索與創(chuàng)新的戰(zhàn)略制高點，而火星則因其可能是地外生命探索的主要目標天體及其可宜居等獨特性質(zhì)，也成為各國在深空探測領域中競相角逐的熱點和生長點。
人類自誕生以來，就因太空的浩瀚、神秘而敬之懼之，火星則因其快速的運動、橙紅的色彩和多變的亮度等特性尤為引人矚目。它不但常常被統(tǒng)治者或神權者所利用、被百姓所寓喻，如被古埃及人稱為地平線上的何露斯、被古羅馬人稱為馬爾斯等，也為古代的天文觀測者密切關注，他們在當時簡陋的條件下開展了多次火星觀測，彰顯了不凡的智慧，如中國古稱火星為熒惑，蘊含了對火星色彩、運動等特性和規(guī)律的概括�？梢哉f，人類對火星在認識上的首次飛躍源于17世紀望遠鏡的誕生及應用，但真正意義上對火星有更精準、更深層次的認識，則來自20世紀60年代以來人造探測器近距離造訪火星的探測活動：從1960年蘇聯(lián)發(fā)射了首顆火星探測器至今，人類已發(fā)射了近50顆火星探測器，實現(xiàn)了對火星的飛越探測、環(huán)繞探測、著陸與巡視探測，大大拓寬、加深了人類對火星的了解。
隨著航天技術的發(fā)展和探測手段的多樣化、探測精度的不斷提高，以及人類對火星認識程度的逐步加深，各航天大國對開展火星探測的熱情和頻率也逐步抬升和增加。特別是進入新千年以來，探測火星、探尋火星生命信息、探索火星宜居性已逐漸成為國際深空探測的主流，在一定程度上，各航天大國對火星的探測熱情已經(jīng)超越了月球。實際上，中國開展火星探測的可行性論證幾乎同步于開展月球探測工程的論證工作：20世紀90年代開始，在國家863項目支持下，中國科學家已就火星探測的意義、科學目標等開展了自發(fā)性的研究工作，隨后又與航天技術專家一起開展了火星探測必要性和技術可行性的論證工作；2007年底，成功發(fā)射嫦娥一號衛(wèi)星后，受原國防科工委（現(xiàn)國防科工局）的委托，由孫家棟院士、歐陽自遠院士負責組織開展了我國開展火星探測方案的論證工作；從2010年底開始，國防科工局領導和組織開展了更為全面、更為細致的論證工作；2014年9月，國防科工局對外宣布，正式啟動我國首次火星探測工程的預先研究和關鍵技術攻關工作；2016年1月，國家批準了我國首次火星探測工程的綜合立項報告，標志著我國首次火星探測工程正式實施。
雖然人類對火星進行了幾千年的觀測和近60年的軌道遙感和表面原位探測，對火星科學的認識取得了長足進步，但這對于真正認識火星、利用火星、開發(fā)火星來說還遠遠不夠，就火星本身的科學內(nèi)涵而言，仍存在諸多科學謎團，需要我們進一步去探索、去研究、去考證。
比如，不同于地球磁場，火星雖有很強的巖石圈剩余磁場和多極子磁場特征，卻沒有全球性的偶極子磁場，但根據(jù)現(xiàn)有的行星演化理論，火星早期也應該具有全球性的偶極子磁場，那么，包括火星發(fā)電機的開始與消失時間、條帶狀巖石剩磁分布特征及其成因機制等諸多事關火星磁場形成的物理機制及其演化過程，進而延伸至火星演化理論體系等重大科學疑團仍有待于進一步探究與詮釋。火星電離層是太陽風與火星之間發(fā)生相互作用和火星水逃逸的重要場所，其與火星磁場、火星大氣層等均是火星空間物理研究領域的關鍵要素。同樣，目前在火星電離層中到底發(fā)生著怎樣的化學作用仍是火星科學界的一大謎團，抑或說是一個頗具爭議的研究熱點。毋庸置疑，火星大氣的結(jié)構、組成、物理化學過程、運動特性及其與太陽風的相互作用是火星塵暴、氣候的發(fā)生和變化的重要控制因素，其中隱匿的許許多多科學細節(jié)及相關機制也一直令學術界感到困惑。
又如，火星的形貌與構造體系，既發(fā)育著以外力為主成因的布滿表面的撞擊坑和風成地貌、古水流體系等，也有以內(nèi)營力為主成因而孕育出的諸如火山口形貌、山脈構造體系等，既是火星內(nèi)部演化在火星表面上的綜合顯現(xiàn)，又表征著火星固體表面與其外部環(huán)境的相互作用。這些復雜型與綜合型的火星形貌與構造體系又蘊含著怎樣的火星綜合演化歷史呢？火星的今日與昨日又有多大的雷同和差異呢？這些科學問題既是基礎性的又是綜合性的，同樣需要我們進一步挖掘和闡釋。
再如，火星早期的主要熱流機制是什么？火星過去、現(xiàn)在的火山活動是怎樣演變的？火星殼為什么會出現(xiàn)二分性？這諸多的問題，涉及更深層次的有關火星的成分、資源、內(nèi)部結(jié)構、形成與演化、乃至火星與其他類地行星的差異性等重大核心要素，這些絕不是靠次數(shù)有限的火星探測就能解決的。特別是，火星的過去、現(xiàn)在是否有生命發(fā)育？解開這一疑團也不僅僅是靠對火星過去曾有大量的水體等幾個要素的分析就能解釋清楚的。更具挑戰(zhàn)性的問題是，能否通過改造火星使之成為人類的新家園呢？這一涉及哲學領域的科技難題，難道不需要我們不斷從科學上去考證、從技術上去驗證嗎？
本書正是基于這些科學疑團以及我國剛剛啟動首次火星探測工程的契機而組織編寫的。
歐陽自遠，天體化學與地球化學家，中國科學院院士，發(fā)展中國家科學院院士，國際宇航科學院院士。1960
年中國科學院地質(zhì)研究所研究生畢業(yè)�，F(xiàn)任中國科學院地球化學研究所研究員、國家天文臺高級顧問。長期從事各類地外物質(zhì)、月球科學、比較行星學和天體化學研究，取得一系列創(chuàng)新性成果，是我國天體化學學科的開創(chuàng)者。近20
多年來，主要從事中國月球探測與太陽系探測的科學目標與載荷配置研究，是中國繞月探測工程的首席科學家，現(xiàn)為月球探測領導小組高級顧問。曾獲國家科學大會獎、中科院及國家自然科學獎、國家科技進步獎特等獎、國防科技進步獎特等獎、全國先進工作者等獎項。在國內(nèi)外發(fā)表論文590多篇，撰寫專著18部，主編著作21部。至今仍然在科研第一線勤奮工作。
鄒永廖，中國科學院國家天文臺研究員，博士生導師，臺長助理，中國科學院月球與深空探測重點實驗室副主任，國家863
計劃空間探測專家，中國空間科學學會副理事長，曾擔任探月工程地面應用系統(tǒng)副總指揮等職務。主要從事行星科學、中國月球與深空探測工程任務研制和管理等工作，發(fā)表學術論文近百篇，合作專著和科普圖書共12部。曾獲國家科技進步獎特等獎、國防科技進步獎特等獎、探月工程突出貢獻者、全國五一勞動獎章、政府特殊津貼專家（自然科學類）等多個獎項。
第 1 章導言/ 1
第 2 章火星概況/ 5
2.1 認識火星/ 5
2.2 火星的基本參數(shù)/ 6
2.3 火星地質(zhì)概況/ 8
2.4 人類的火星探測/ 9
2.5 火星上是否存在生命/ 10
2.6 火星的衛(wèi)星/ 11
第 3 章火星探測歷程/ 15
3.1 肉眼觀測火星/ 15
3.1.1 古代中國記載中的火星/ 15
3.1.2 國外早期對火星的觀測/ 16
3.2 天文望遠鏡觀測火星/ 17
3.3 探測器飛越探測火星/ 20
3.3.1馬爾斯尼克系列/ 20
3.3.2斯普特尼克系列/ 20
3.3.3斯普特尼克23 號/ 21
3.3.4水手3 號/ 21
3.3.5水手4 號/ 21
3.3.6探測器2號/ 22
3.3.7探測器3 號/ 22
3.3.8水手6 號和水手7 號/ 22
3.4 軌道器探測火星/ 23
3.4.1火星1969A和火星1969B/ 23
3.4.2水手8 號/ 23
3.4.3水手9 號/ 24
3.4.4宇宙419 號/ 24
3.4.5火星4 號/ 24
3.4.6火星5 號/ 25
3.4.7火星觀察者/ 25
3.4.8火星全球勘測者/ 26
3.4.9希望號/ 26
3.4.10火星氣候軌道器/ 26
3.4.11火星奧德賽2001/ 27
3.4.12火星勘測軌道器/ 28
3.4.13曼加里安號/ 30
3.4.14火星大氣與揮發(fā)物演化/ 32
3.5 軌道器 著陸器探測火星/ 34
3.5.1火星2號/ 34
3.5.2火星3 號/ 35
3.5.3火星6 號/ 35
3.5.4火星7 號/ 36
3.5.5海盜計劃/ 36
3.5.6 火星94/ 38
3.5.7火星96/ 38
3.5.8火星快車/ 39
3.5.9鳳凰號/ 42
3.5.10深空2號/ 43
3.5.11火星極地著陸器/ 43
3.5.12火星生命探測計劃/ 44
3.6 探測火星衛(wèi)星/ 45
3.6.1火衛(wèi)一1 號和火衛(wèi)一2號/ 45
3.6.2 火衛(wèi)一土壤號和螢火一號/ 46
3.7 火星車巡視探測/ 46
3.7.1火星探路者/ 46
3.7.2勇氣號和機遇號/ 47
3.7.3好奇號/ 48
第 4 章火星磁場與磁層/ 53
4.1 火星磁場探測/ 54
4.2 火星巖石圈磁場/ 56
4.2.1 火星巖石圈磁場空間分布/ 56
4.2.2 火星巖石圈磁場起源/ 56
4.2.3 火星巖石圈磁場模型/ 58
4.2.4 火星巖石圈磁場應用/ 59
4.3 火星發(fā)電機/ 60
4.3.1 火星發(fā)電機的必要條件/ 60
4.3.2 火星發(fā)電機的發(fā)展模式/ 61
4.3.3 火星發(fā)電機的發(fā)展進程/ 63
4.3.4 火星古磁場的長期變化現(xiàn)象/ 64
4.3.5 火星磁場起源的數(shù)值模擬/ 64
4.3.6 火星古磁場與古大氣的關系/ 66
4.4 太陽風與火星的相互作用/ 66
4.4.1 火星弓激波和磁場堆積區(qū)/ 67
4.4.2 火星上的等離子體波動/ 69
4.4.3 火星粒子逃逸和極光現(xiàn)象/ 71
第 5 章火星電離層/ 79
5.1 火星上層電離層/ 79
5.1.1 上層電離層探測/ 79
5.1.2 上層電離層的電離源/ 84
5.1.3 上層電離層中的化學過程/ 87
5.1.4 電離層模型/ 88
5.2 火星上層電離層擾動/ 89
5.2.1 太陽耀斑與上層電離層擾動/ 90
5.2.2 日冕物質(zhì)拋射對上層電離層的影響/ 91
5.2.3 太陽高能粒子事件對上層電離層的影響/ 93
5.2.4 極光電離層/ 95
5.2.5 擾動條件下的上層電離層模型/ 95
5.3 火星下層電離層/ 96
5.3.1火星4 號和火星5 號觀測/ 97
5.3.2火星全球勘測者觀測與流星層/ 98
5.3.3火星快車觀測及流星層/ 100
5.3.4 流星離子的成分和化學反應/ 101
第 6 章火星大氣層/ 109
6.1 火星大氣層結(jié)構/ 109
6.2 火星大氣化學/ 110
6.3 火星大氣物理/ 111
6.4 火星大氣運動與塵暴/ 112
6.5 火星氣候/ 117
6.6 火星大氣的演化/ 118
第 7 章火星地形地貌/ 125
7.1 火星地形/ 125
7.2 火星主要地貌類型/ 128
7.2.1 撞擊坑和盆地/ 128
7.2.2 火山地貌/ 134
7.2.3 峽谷地貌/ 143
7.2.4 水流地貌/ 145
7.2.5 冰川地貌/ 149
7.2.6 風成地貌/ 150
第 8 章火星化學/ 155
8.1 火星殼的化學組成/ 155
8.1.1 軌道器探測/ 155
8.1.2 著陸器探測/ 161
8.1.3 火星隕石/ 170
8.1.4 火星殼的化學特征/ 173
8.2 火星幔和核的化學組成/ 179
8.2.1 玄武巖演化/ 179
8.2.2 火星幔的化學組成/ 180
8.2.3 火星核的化學組成/ 183
8.3 火星年代學/ 183
8.3.1 核幔殼分異時代/ 183
8.3.2 巖漿活動的時代/ 184
第 9 章火星的巖石與礦物/ 189
9.1 巖漿巖/ 189
9.1.1 全球分布（軌道探測）/ 191
9.1.2 巖石類型（巡視探測）/ 191
9.2 沉積巖/ 200
9.2.1 風成沉積巖（沉積韻律與氣候變化周期）/ 200
9.2.2 水成沉積巖/ 203
9.3 表土角礫巖質(zhì)隕石/ 206
9.4 火星的礦物/ 207
9.4.1 巖漿巖的主要造巖礦物/ 209
9.4.2 巖漿巖的副礦物/ 213
9.4.3 巖漿巖的含水礦物/ 213
9.4.4 沖擊成因高壓礦物/ 215
9.4.5 表生礦物/ 217
第 10 章火星土壤/ 237
10.1 探測概況/ 237
10.1.1海盜1 號/ 238
10.1.2海盜2號/ 239
10.1.3火星探路者/ 239
10.1.4勇氣號/ 242
10.1.5機遇號/ 243
10.1.6鳳凰號/ 243
10.1.7好奇號/ 243
10.2 火星土壤的類型與分布/ 248
10.3 火星土壤的基本性質(zhì)/ 250
10.3.1 顆粒特征/ 250
10.3.2 化學成分/ 255
10.3.3 礦物組成/ 263
10.3.4 火星土壤的機械力學性質(zhì)/ 265
10.3.5 磁性/ 268
10.4 火星塵埃/ 270
10.5 火星土壤的形成過程/ 272
10.6 模擬火星土壤/ 273
10.6.1 JSC Mars-1 / 275
10.6.2 MMS / 275
10.6.3 ES-X / 276
10.6.4 Salten Skov Ⅰ / 277
10.6.5 JMSS-1 / 277
第 11 章火星隕石/ 285
11.1 火星隕石概述/ 285
11.1.1 降落型火星隕石/ 285
11.1.2 發(fā)現(xiàn)型火星隕石/ 286
11.2 火星隕石來源的證據(jù)/ 286
11.3 火星隕石的巖石類型/ 289
11.3.1 輝玻質(zhì)無球�；鹦请E石/ 290
11.3.2 輝橄質(zhì)無球�；鹦请E石/ 297
11.3.3 純橄質(zhì)無球�；鹦请E石/ 298
11.3.4 斜方輝巖質(zhì)火星隕石/ 299
11.3.5 火星表土角礫巖/ 299
11.4 火星隕石的年齡/ 300
11.4.1 火星隕石的結(jié)晶年齡/ 301
11.4.2 濺射年齡/ 303
11.4.3 宇宙線暴露年齡/ 304
11.4.4 居地年齡/ 305
第 12 章火星地質(zhì)/ 309
12.1 火星地質(zhì)總體特征/ 309
12.2 火星外動力地質(zhì)作用/ 310
12.2.1 撞擊作用/ 310
12.2.2 風的地質(zhì)作用/ 315
12.2.3 流水的地質(zhì)作用/ 319
12.2.4 極地冰川作用/ 324
12.3 火星內(nèi)動力地質(zhì)作用/ 328
12.3.1 火山作用/ 328
12.3.2 構造作用/ 331
12.3.3 變質(zhì)作用/ 337
12.4 火星地質(zhì)演化/ 343
第 13 章火星內(nèi)部結(jié)構/ 349
13.1 火星重力場與內(nèi)部結(jié)構/ 349
13.1.1 火星的重力場模型/ 349
13.1.2 火星殼厚度模型/ 351
13.1.3 火星的巖石層（圈）/ 351
13.2 火星內(nèi)部磁場/ 353
13.2.1 火星磁場/ 353
第 14 章火星生命信息/ 375
14.1 火星生命的提出/ 375
14.1.1 火星生命探測歷程/ 380
14.1.2 與生命有關的要素/ 381
14.1.3 能否改造火星和人類移民火星/ 382
14.2 火星生命探測的重大事件/ 383
14.2.1海盜號/ 383
14.2.2鳳凰號/ 385
14.2.3火星快車/ 385
14.2.4好奇號/ 389
14.2.5火星2020/ 392
14.3 火星隕石提供的生命信息/ 393
14.3.1 ALH 84001、Nakhla和Shergotty / 393
14.3.2 Tissint 隕石中發(fā)現(xiàn)有機碳/ 399
14.3.3 火星2 億年前左右還存在地下水的活動/ 401
14.3.4 火星隕石的未來用途/ 403
14.4 未來探尋火星生命的兩個方向/ 403
第 15 章火星的形成與演化/ 407
15.1 火星的形成與初始物質(zhì)組成/ 408
15.2 火星的核幔分異/ 410
15.3 后增生吸積/ 411
15.4 巖漿洋結(jié)晶與殼幔分異/ 412
15.5 火星南北二元結(jié)構的起源/ 413
15.6 發(fā)電機與磁場/ 414
15.7 火星殼的巖石學模型/ 416
15.8 火星幔的地球化學模型/ 418
15.9 早期巖石圈演化/ 419
15.10 火星表生環(huán)境的演化/ 420
第 16 章火星探測的發(fā)展趨勢與展望/ 429
16.1 國際火星探測發(fā)展態(tài)勢/ 429
16.1.1 美國的火星之旅/ 429
16.1.2 ESA 的火星探索戰(zhàn)略/ 432
16.1.3 俄羅斯的火星探測計劃/ 434
16.1.4 日本的火星探測規(guī)劃/ 436
16.1.5 印度的火星探測之路/ 437
16.2 未來火星探測的科學焦點/ 437
16.2.1 火星表面與空間環(huán)境/ 437
16.2.2 火星地形地貌與地質(zhì)構造/ 438
16.2.3 火星的物質(zhì)成分/ 439
16.2.4 火星的火山活動和內(nèi)部結(jié)構/ 439
16.2.5 火星的水體與可能的生命信息/ 440
16.3 中國的火星探測工程/ 440
16.3.1 我國未來火星探測發(fā)展設想/ 440
16.3.2 我國首次火星探測任務的科學目標/ 441
附錄1 火星地名表/ 443
附錄2 火星探測年表/ 495
后記/ 507
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