1. 概述

　　火星是太阳系的八大行星之一、四大类地行星之一，是距离太阳第四近的行星，位于地球和木星之间。其尺寸仅大于水星，是太阳系第二小的行星。火星橘红色的外表源于其表面丰富的赤铁矿（Fe2O3）。在地球上，火星肉眼可见，只比金星、月球和太阳暗，但在大部分时间里比木星暗。火星大气以二氧化碳为主，既稀薄又寒冷，其表面拥有很多撞击坑、山谷、沙漠和极地冰盖（或极冠）。火星的直径约为地球的一半，自转轴倾角、自转周期则与地球相当，绕太阳公转周期（686.98地球日）接近地球的两倍。火星有两个天然卫星——火卫一和火卫二，形状不规则。由于有许多证据证明火星曾拥有类似地球一样的宜居环境以及丰富的资源，故此火星成为各国研究的重点。

　　2. 词源

　　火星在古代中国被称为“荧惑”，源于其“荧荧如火，亮度、位置变化甚大使人迷惑”的特征。在五行中属火，故曰火星。英文将罗马神话中战神马尔斯（Mars）的名字赋予火星。

　　3. 行星物理特征

　　火星直径约为地球的一半、月球的两倍，质量约为地球的九分之一、月球的九倍，表面重力约为地球的38%、月球的2.4倍。火星体积约为地球的15%，质量约为11%，表面积略小于地球陆地面积，密度则比其他三颗类地行星（水星、金星、地球）小很多。长期观测火星发现，南半球地势比北半球高，北极盆地显示有过大撞击，推论约45亿年前可能遭受冥王星大小的天体撞击，形成火卫一和火卫二，亦逼使内核热能散溢出上地幔，无法以发电机原理持续对流生成磁场。由于火星比地球小，相对表面积与体积成反比而较大，因此火星核心也冷却得比地球的快，地质活动趋缓，磁场和板块运动消逝，太阳风带走大部分大气导致气压偏低，而造成液态水在低温就会沸腾、无法稳定存在于火星表面。

　　3.1. 地质

　　火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃。火星地表地貌大部分于远古较活跃的时期形成，充满撞击坑，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山——奥林帕斯山和最大的峡谷——水手号峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别，南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原，两极皆有主要以水冰组成的极地冰盖，其上覆盖的干冰随季节消长。

　　基于撞击坑密度的撞击坑计数法可大致判别出地表年龄，即撞击坑大而密集处较老，反之则年轻，进而将火星地质年代分为四个阶段——前诺亚纪（约46-41亿年前）、诺亚纪（约41-37亿年前）、西方纪（或赫斯珀利亚纪，约37-30亿年前）和亚马逊纪（30亿年前至今）。前诺亚纪没有留下实质地表，此时地形上的南北差异形成，可能存在全球性磁场；诺亚纪有大量陨石撞击，火山活动旺盛，可能有温暖潮湿的大气、河川和海洋，但到末期这些活动已减弱；西方纪时期火山活动仍然继续；亚马逊纪时期火星的大气则稀薄干燥，水以固态为主要存在形式，如极地冰盖、地下冰层、冰川，并有周期性变迁，沟壑也是这时期形成，火山活动趋缓。如今的火星风成地形遍布，如吹蚀、磨蚀等风蚀作用，和沙尘遇地形阻碍而填积、侵积等风积作用。

　　3.2. 地理与命名

　　约翰·马德勒和威廉·比尔虽然因月球地图而闻名，他们也是首先的火星制图者。1840年，梅德勒结合了十年的观察绘制了第一张火星地图。他们并没有为各特征命名，而是以字母标示，如子午线湾为 a。 往后大约二十年，随着仪器进步和观测者增加，很多名称开始出现，如太阳湖称为眼，大瑟提斯则为沙漏海或蝎子。1858年，安吉洛·西奇命之为大西洋水道。他解释：“它就好像地球的大西洋，分隔开旧大陆与新大陆。”而这是水道第一次使用在火星上。 1867年，理查德·普罗克托不加修饰地取自威廉·道斯于1865年所绘的地图，绘了一张火星地图。他以一些观测者的名字来命名各特征。此后，乔范尼·夏帕雷利于1877至1886年所绘之地图中所使用的大多数名字较为广泛接受，沿用至今。现在，火星地名有多种来源。大的反照率特征保留传统名字，但常随着真正性质的发现而更新，如奥林匹克雪原变成奥林帕斯山。 大陨石坑以重要的科学家和科幻作家命名；小陨石坑则以地球上的村镇命名。 一些火星车所研究的地表特征会加上暂时名称或绰号，以利辨别标示。此外，哥伦比亚山丘群的一些特征以哥伦比亚号航天飞机灾难上七名太空人的名字命名。

　　火星的经度坐标采用东经0至360度，不是地球的东西经各180度。火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷。南北半球的地形有着强烈的对比：北方是被熔岩填平的低原，南方则是充满撞击坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷分布各地，南北极有以水冰与干冰组成的极冠，而风成沙丘广布整个星球。随着卫星拍摄的越来越多，更发现很多耐人寻味的地形景观。

　　20世纪早期地面以无线电波测量火星地形。1976年海盗号进行的地形测量，发现了峡谷和南北半球的巨大差异，而衍生出北方平原本是海洋的假说。火星全球勘测者自1999年起以激光进行更精确的地形测量，得出目前使用的全球地形图，以火星大地水准面为基准，最高点在奥林帕斯山，高约21.2千米；最低点在希腊平原，约低于基准8.2千米。现在很多探测器如火星勘察卫星、火星快车号和火星探测漫游者运用航照图的地形判别方法，以视差法来测量区域地形，并制成高分辨率立体照片。来自火星奥德赛号上热辐射成像系统的影像显示阿尔西亚山北坡有七个可能的深洞，照片中光线无法抵达底部，推测底部可能更深、更宽，可能免受微陨星、紫外线、太阳闪焰和其他高能粒子的侵害，可能是未来寻找液态水或生命痕迹的可行地点。但后来火星勘察卫星的更高分辨率影像部分推翻了之前猜测，认为只是光线角度造成深不见底的样子。

　　3.3. 内部结构

　　火星的内部情况只是依靠它的表面情况资料和有关的大量数据来推断的。一般认为它的核心是半径为1830千米的高温（1900-2000 K）高密度液态金属物质组成，推测主要成分是铁、镍、硫、氧和氢；外包一层硅酸盐幔，它比地球的地幔更稠些，其活动形成了火星上有板块和火山活动特点的地质结构，然而现在的火幔活动似乎已经趋于静止；最外层是一层薄薄的外壳，平均厚度约50千米，最大厚度约125千米。火星外壳的主要组成元素为硅、氧、铁、镁、铝、钙和钾。虽然火星缺乏活跃的板块运动，但洞察号记录的火震频率还是相当高的，例如2019年记录有超过450次的火震活动。证据表明，火幔没有与地球下地幔相似的热绝缘层，火幔到约500千米的深度开始有部分熔融的软流层出现，一直延伸到约1050千米深度逐渐过渡到火星的内核。

　　3.4. 大气

　　火星大气层相对较薄，平均地表气压只有6百帕，约为地球表面气压的0.6%，相当于地球表面算起35公里高的气压，如此低的气压使声音传播的距离只有在地球上的1.5%。随着季节的变化，火星气压变化可达20%。火星大气层按高度可分为低层大气、中层大气、上层大气和外气层。其中低层大气由于气悬微尘与地表的热，这部分相对温暖；中层大气存在有高速气流；上层大气（或热气层）温度很高，大气分子也不再像下层那样分布均匀；外气层高度在200公里以上，大气渐渐过度到太空，无明显外层边界。

　　火星大气成分为约95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%氩气，很少的氧气、水汽等，亦充满着很多悬浮尘埃，吸收蓝光使天空成黄褐色。2003年地基望远镜在大气中发现了甲烷；2004年3月，火星奥德赛号确认了这一发现。由于甲烷易被紫外线分解，存在甲烷表示现在或者最近几百年内在火星上存在制造甲烷的来源，火山作用、地质作用、彗星或小行星撞击甚至生物来源如甲烷古菌等都有可能。2013年9月19日，根据从好奇号得到的进一步测量数据，NASA科学家报告，大气甲烷的测量值为0.18±0.67 ppbv，对应于1.3 ppbv上限（95%置信限），甚至灵敏度更高的ExoMars痕量气体分析仪未能检测出大气甲烷，因此总结产甲烷微生物存在的概率很低。但是，很多微生物不会排出任何甲烷，仍旧可能在火星发现这些不会排除任何甲烷的微生物。

　　由于火星比地球离太阳远，日射量较少，表面温度应较低，计算值约210K，但实际观测地表平均约240K，则是因为大量的二氧化碳所造成的温室效应。由于大气层很薄，无法保留很多热，使地表日夜温差很大，某些地区地表温度白天可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均-52℃。火星大气环流主要为单胞环流，由赤道相对热空气上升，漂至极区下沉，再沿地面回到赤道。另外，在火星的北半球，极地冰盖的二氧化碳升华进入大气，使气压升高；而南半球由于二氧化碳凝华，气压下降，由于进出大气的二氧化碳量高达25%，造成南北压力差，空气便倾向由高压的夏半球流向低压的冬半球，形成另一依季节而变向的环流。因此火星的天气系统趋向成为全球性的，例如尘暴。 火星天气重复次数较高，比地球容易预测。如果一个气象事件在一年的特定时间中发生，可提供的资料（相当稀疏）指出，很可能在下一年几乎同一个位置再发生一次，误差最多一个星期。

　　2008年9月29日，凤凰号拍下了降雪事件，是在接近凤凰号登陆地点附近海姆达尔撞击坑之上，高 4.5 公里的云降雪。这次降雪在到达火星表面时就已蒸发，这现象称为幡状云。火星上的风速要超过地球100倍。

　　3.5. 水文

　　火星地表遍布着流水的遗迹，有些是洪水刻画而成，有些则是降雨或地下水流动而形成，但多半年代久远。冲沟则是另一类规模较小的地形，但形成年代十分年轻，常分布于撞击坑壁，型态多样。关于成因有两派说法，一派认为是由流动的水造成，另一方则认为是凹处累积的干冰促使了松软物质滑动。

　　火星南北极有明显的冰盖，曾被认为是由干冰组成，但实际上绝大部分为水冰，只有表面一层为干冰。这层干冰在北极约1米厚，在南极则约8米厚，是冬季时凝华而成，到夏季则再度升华进入大气，不过南极的干冰并不会完全升华。夏季仍存在的部分称为永久极冠，而整体构造称做极地层状沉积，和地球南极洲与格陵兰冰层一样为一层层的沉积构造。北极冠宽达1100公里，厚达2公里，体积82.1万立方公里；南极冠宽达1400公里，最厚达3.7公里，体积约1.6百万立方公里。两极冰冠皆有独特的螺旋状凹谷，推论主要是由光照与夏季接近升华点的温度使沟槽两侧水冰发生差异融解和凝结而逐渐形成的。2011年由火星勘察卫星的浅地层雷达发现南极冠所含干冰量相当于大气含量的80%，据此的模拟结果，十万年一周期的气候变迁中借由干冰升华、凝结，大气总质量的变化幅度会达数倍。

　　由火星奥德赛号X射线光谱仪的中子侦测器得知，自极区延伸至纬度约60°的地方表层一米的土壤含冰量超过60%，推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层。另外一个关于火星上曾存在液态水的证据，就是发现特定矿物，如赤铁矿和针铁矿，而这两者都需在有水环境才能形成。对于于火星上有冰存在的直接证据在2008年6月20日被凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。2008年7月31日，美国航空航天局科学家宣布，凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生，从而最终确认火星上有水存在。2013年9月26日，美国航空航天局科学家报告，火星探测器好奇号发现火星土壤含有丰富水分，大约为1.5至 3重量百分比，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。2015年9月28日，美国航空航天局宣布，在火星上发现液态的盐水。根据火星勘测轨道飞行器配备的光谱仪获得的数据，研究人员在火星的神秘斜坡上发现了水合矿物。这些暗色条纹表明火星地表随时间变化有流水存在。在较温暖的季节，这些线条的颜色变得更深，表明水流在斜坡上出现，在较冷的季节，这些地表特征变浅。在火星的部分地区，最高温度可以达到摄氏零下23度，此时深色线条最明显。2018年7月25日，据意大利媒体报道，该国科学家在火星上首度发现一个地下液态水湖。该研究称，“火星地下及电离层高级探测雷达”在火星南极冰层下1.5千米处发现一个大型液态水湖，里面含有盐。湖的直径约为20千米，温度至少为零下10度。

　　4. 运动规律

　　火星与太阳平均距离为1.52个天文单位，公转周期为1.88地球年，687地球日，或668.6火星日。火星公转轨道和地球的一样，受太阳系其他天体影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9.6万年和210万年，于0.002至0.12间变化；而地球的是10万年和41.3万年，于0.005至0.058间变化（见米兰科维奇循环）。火星日平均为24小时39分35.244秒，或1.027地球日。火星目前自转轴倾角为25.19度，和地球的相近，但可在13度至40度间变化，周期为一千多万年，不像地球的稳定处于22.1和24.5度间，是因为火星没有如月球般的巨大卫星来维持自转轴。

　　火星自转轴有明显倾斜，日照的年变化形成明显的四季变化，而一季的长度约为地球的两倍。由于火星轨道离心率大，为0.093（地球只有0.017），使各季节长度不一致，又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约40天。虽然火星没有地球般受海洋影响的复杂气候，但仍有以下特殊之处：火星轨道离心率比地球大，造成日射量在一年当中变化更大，位于近日点时，南半球处夏季，比北半球远日点夏季所造成的升温更强；随季节交替，二氧化碳和水汽会升华和凝结而在两极冠间迁移，驱动大气环流；地表反照率特征，因颜色深浅和沙、岩性质差异而造成的容积热容不同，可影响大气环流；易发生的尘暴会将沙尘粒子卷入高空，沙尘粒子吸收日光与再辐射会使高层大气增温，但遮蔽天空的沙尘会使地表降温；自转轴倾角和轨道离心率的长期变化则造成了气候的长期变迁。火星表面的平均温度比地球低30度以上。

　　5. 卫星

　　火星有两个天然卫星——火卫一与火卫二，直径各约22公里和12公里，形状不规则并充满撞击坑，以近圆形的轨道于接近火星赤道面处公转。它们虽然很小，但由于接近火星，使火卫一从火星上看约有满月直径的二分之一至三分之一大，白天可能可见。和月球一样，这两颗卫星都被火星潮汐锁定，因此他们总是以一面对着火星。火卫一的公转周期比火星自转更快，所以在火星上来看是西升东落的，且只花了约4个小时；而火卫二的公转周期只比火星自转慢一些，东升西落要花约2.4个火星日。因为火卫一离火星很近，火星的潮汐力会慢慢但稳定地减小它的轨道半径，预计再过约760万年，火卫一将因轨道低于3620公里，也就是火星的洛希极限而被瓦解。另一方面火卫二因为离火星足够远，所以它的轨道反而正在慢慢地被推进。两卫星可能是捕获的小行星，但新研究认为可能是撞击事件、或原本的卫星被火星潮汐力拉碎后，由散布轨道上的岩屑再度吸积而形成。两颗卫星是在1877年阿萨夫·霍尔发现的，以罗马神话中的福波斯（Phobos）和得摩斯（Deimos）命名，两者皆为战神马尔斯的儿子。

　　6. 宜居性与生命探测

　　2000年，美国科学家在南极洲发现了一块火星陨石。这是一块碳酸盐陨石，后被编号为ALH84001。美国国家航空航天局声称在这块陨石上发现了一些类似微体化石的结构，有人认为这可能是火星生命存在的证据，但也有人认为这只是自然生成的矿物晶体。直到2004年，争论的双方仍然没有任何一方占据上风。有证据显示火星曾比现在更适合生命存在，但生命在火星上到底是否真正存在过还没有确切的结论。某些研究者认为源自火星的ALH84001陨石有过去生命活动的证据，但这个看法至今尚未得到公认。另有反对的观点认为，自几十亿年前产生以来，该陨石从未长期处于液态水存在的温度下，因而不会曾有生命活动。

　　海盗号曾做实验检测火星土壤中可能存在的微生物。实验只分析了海盗号着陆点处的土壤，部分检测给出了阳性的结果，但随后即被许多科学家所否定，而这一结果也仍就处在争议之中。现存生物活动也是火星大气中存在微量甲烷的解释之一，但亦有其它与生命无关的解释。人类若对外星殖民，由于火星的适宜条件（同其他行星相比，火星最像地球，而且距离相对较近），它将是人类的首选地点。

　　2004年美国总统布什宣布载人火星任务为太空探索展望中的长期目标。NASA和洛克希德·马丁已开始研究猎户座航天器，计划于2020年以前送人类到月球，作为人类登陆火星的准备。2007年9月28日，NASA执行长麦可·格里芬声明NASA预计于2037年以前送人类到火星。ESA也希望于2030至2035年间将人类送上火星。直达火星是罗伯·祖宾——火星学会的创始人和主席——提出的极低成本载人火星任务，使用重载的农神五号级火箭，如战神五号或太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰九号，省略轨道组装、低地轨道会合和月球燃料补给站而直接用小的航天器前往火星。