第8章 第二章中阐述了人类是如何从地面天文台观测到了各种行星。由于行
第二章中阐述了人类是如何从地面天文台观测到了各种行星。由于行星在太空中连续占据的不同位置，我们每一次观测到的结果都与之前有所不同。鉴于火星距离太阳比地球更远，它不可能像水星和金星那样出现介于地球和太阳之间的情况，所以火星不会呈现出类似水星或金星那样的一系列相位。如同其他所有距离太阳更远的行星，火星被照亮的半球总是朝向地球。当火星冲日且和地球之间的距离最近时，就是我们观测火星的最佳时机。如果火星和地球的轨道呈圆形且同心，那么每次火星冲日都在同样的条件下产生，且两颗行星之间的距离每次都相同；然而，我们已知实际情况与此截然不同，火星轨道的偏心率使得冲日的火星与地球之间的距离每次都大相径庭。这些差量非常明显，我们有必要明确它们的数值，因为这对天文观测的难易程度能造成显著影响，尤其当我们所用仪器的光学性能欠佳时。
当火星运行到太阳背面发生上合时，火星正好在远日点附近，此时它与地球的距离最远；如果冲日的火星正好在近日点附近，那么此时它与地球的距离最近。这两种情况下的火地距离相差极大，由于这些不同的距离，我们所看到的火星视大小也不一，相差最大时就如上方的插图所示。火星最大视直径为25角秒，此时的观测效果最佳，只需放大75倍，天文观测仪视域中的火星理论上就能和我们用裸眼看到的月面大小相当，因此我们能在某些时刻卓有成效地进行火星观测，尤其当大气条件允许我们使用高放大倍数的大型天文望远镜时，但根据上文所示的火星和地球运动的组合，最有利的观测条件每15年才出现一次。
每次火星冲日都发生在轨道的不同位置上，导致火星的视直径也随之变化。
现在我们来研究一下冲日周期内火星连续7次的冲日情况。当然像这类的数据都是平均值，但对综述来说已经足够了。因为每次冲日都发生在轨道的同一点附近，所以大冲可以是冲日的火星恰好在近日点上，也可以是在近日点附近，即比冲日当天提早或推迟几天。我们例举目前正在进行中的冲日周期：最近一次最佳冲日发生在1924年，这一次的“最佳”称号名副其实——火星逼近地球的距离几乎达到了最短，视直径达25.1角秒(1)；接下来的冲日发生在1926年，火星离地球稍远，视直径为24.4角秒；第三次是在1928年，视直径只有16角秒；第四次在1931年，冲日的火星在远日点附近，视直径降到了14.4角秒，到了1933年视直径还要更小，只有13.9角秒。继这两次最不利于观测的火星冲日后，接下来冲日的火星又开始靠近地球：1935年，冲日火星的视直径达15角秒；1937年，视直径增至18.4角秒；该周期的最后一次火星冲日发生在1939年，我们将再次看到又大又亮的火星，这也标志着新一轮冲日周期的开始。
以上的每次会合周期里，我们都会看到从正面被照亮的火星相对于太阳所处的各种角位。由于这种相对靠近的距离，我们在某些时候能看到火星没有被照亮的部分。火星不像月球、水星和金星那样会呈现出一组完整的相位，火星相位略不同于完整的圆面，最大相位发生在东西方照之时——分别在冲日前后，火星在天空中的位置与太阳成直角；此时未被照亮部分的宽度占了火星视直径的1/7，我们看到的火星类似满月前后几天的月相。因此，我们就能够观察到火星上的斜照界限，这对揭示火星表面的凹凸状况以及大气现象极有价值。
我们所见到的每次冲日的火星大小不一，除此之外，由于火星的自转轴倾角，这个球体呈现在我们眼前的方位也不同，这是我们在详细研究火星表面及其特性时不容忽视的因素。
最大相位下的火星样貌
火星球体与轨道平面的倾角以及火星的气候带。C是北极圈，C’是南极圈，T和T’是回归线。图中的火星北半球正处于夏至日。P le Nord：北极；Plan de l’orbite：轨道平面；quateur：赤道；P le Sud：南极
当冲日的火星在近日点时，正对我们的是倾斜的火星球体的南半球（上）；当冲日的火星在远日点时，正对我们的是北半球（下）。对比火星在这两个位置上的视直径。
读者可以再次参照图示，图上除了标有轨道间的距离关系，还标注了有关火星季节更替的要素。我们看到二至点间连线靠近火星轨道长轴，因此根据火星的轴倾角，当火星在近日点冲日时，朝向地球的是火星的南极。在这种情况下，火星的整个南半球尽收眼底，北半球则完全没办法看见，只能看到火星圆面底部北半球的一部分。趁此机会我们顺便说明，图像在天文望远镜的视野中是颠倒的。对一个身处北半球的观测者来说，所观行星的北面会出现在底部，南面则出现在顶部，此处附上的图片就是这样来呈现行星样貌的；相反，如果冲日发生在轨道的另一侧，也就是火星在远日点附近，我们反而会看到火星北极正处于夏至日，北半球为夏季，不可见的则是南半球的大部分区域。在大冲和小冲之间的火星冲日，也就是上述两个位置的两侧期间，我们会看到，火星处于春秋分日，南北半球经历着不同的季节。这样一来便很容易解释火星在不同会合周期里呈现在我们眼前的不同样貌。
多亏了这些不同的观测条件，我们才能够掌握火星上的季节规律，并发现由此带来的显著影响，我们将于下文对此展开论述。最后，综合火星与地球之间的距离以及火星倾斜的角度，我们发现在细节的可见度方面，火星南半球要比北半球更便于研究。
(1) 火星冲日是指太阳、地球、火星依次几乎排列成一线的时候，而这里的“最佳冲日”是指火星大冲，火星此时位于其近日点上或附近，地球位于其远日点或附近，此时火星最接近地球且亮度最大。冲日和大冲之间的主要区别在于大冲之时，行星距离地球更近，更易被观测。最近一次的火星冲日发生在2018年7月27日，下一次火星冲日预计出现在2020年10月。
火星的外貌
我们已经明确了在什么样的条件下火星能相对离我们最近地供我们观测，现在我们要将关注点放在火星的特殊外观上。比起其他行星，也许火星能更好地见证人类对地球邻星们的认知是如何一步步得到完善的。在火星可视细节的测定方面，早先的基本概念很快就被更为可靠的数据所代替。在众多天文观测者的狂热之下，火星细节以惊人的方式不断变得更加精确，天文学家借助越来越强大的工具，致力于探索这颗长久以来一直被看成地球翻版的星球。
我们有必要对火星观测活动的发展做一番回顾，这段发展史同时也是以观测事实修正先入之见的过程。
首先我们注意到，尽管火星地貌及其特殊环境还有待我们深入，但我们至少不会像观测金星那样只能得到令人失望的结果。
总体来说，在火星所呈现出的黄色或橙色表面——用裸眼看去火星颜色相当有特点——有一些暗绿色的斑块，有的甚至颜色极深、对比清晰；这些斑块的可见度根据观测所用工具的性能而定。斑块在布局上最后组成了一个连续整体，至少我们总是可以识别出其主要的轮廓。我们同样可以在相当早的火星图上辨认出这些最主要的细节，但较之其他更为现代的火星图像仍有明显差距，其中的不同之处似乎主要缘自观测者个人的判断以及他对自己视觉印象的图解，因为我们不要忘了，虽然火星表面的细节相对清晰，但当火星在远日点冲日时，我们看到的火星尺寸相当有限甚至微不足道。要知道，天文望远镜所得的小尺寸图像会受到地球大气中的浑浊物质极大的影响。
只要是对天文观测稍有了解的人，就会在各种看似毫不一致的图像对比中找到线索。从中我们会发现，观测火星的难点至少不是观测金星时遇到的物理障碍——从不那么明显的表象中识别出某样东西。总之，如果我们仅满足于平均值，暂时忽略我们刚刚一再提到的偶然出现的分歧，那么从最早的观测开始不断积累的无数材料都对我们对火星的认知有极为重要的数据参考价值。
人们是如何越来越有效地观测火星的呢？我们有必要对此做一番回顾，以更好理解自上世纪末以来不断推陈出新的火星假说。
除非是在近日点冲日的情况下，否则只靠一台性能较弱的光学仪器，火星是很难被观测到的。就连伽利略的望远镜，除了能观测到一个小球形状的图像，也再不能提供更多的细节了，但这个图像所呈现的相位与哥白尼的日心说相符。之后冯特纳于1636年画出了最早的火星图，他笔下的火星中间装饰有一颗黑色“药丸”；第二幅火星图可追溯至1638年，冯特纳所画的火星相位清晰得有些夸张，在中心位置仍然出现了同样的斑块，但我们很难将此图像视为火星真实的样貌，因为我们注意到，圆盘中间那个完美的圆形在第二张图中随着火星相位的改变也相应变成了卵形。同样出自冯特纳之手的还有金星的外观图，也许他会画出这样的图像只是因为他使用的透镜还不够完善。我们之所以给出这些早期人类通过天文望远镜观测到的结果，皆是出于对历史的好奇之心。
冯特纳借助望远镜绘制出了最早的火星图（1636—1638）。
1659年11月28日惠更斯所绘的火星草图
紧随冯特纳的后继者们也没有带给我们有价值的信息。
后来，随着光学的迅速完善，惠更斯和D.卡西尼分别于1659年和1666年获得了一些具有启发性的观测结果。在他们还相当初级的火星图上出现了一些真正的斑块，尽管这些草图如此粗糙，人们还是能够从中辨认出主要的线条，尤其是在惠更斯的火星图上可以清楚地看到斑块由于火星自转产生了位移，据此惠更斯估算出了火星时长24小时的自转周期，也就是与地球自转相同的时长；后来卡西尼进一步证实了火星的自转周期大约为24小时40分钟，这一数字已经非常接近现代观测得出的精确数值：24小时37分钟23秒。
卡西尼还是发现火星南北极白斑的第一人，我们将在后文对此展开论述，因为这些现在被称为极冠的地区呈现的，正是火星上可被明显识别的最重要的地貌之一。
1666年卡西尼绘制的火星外观图
从这一时期开始，火星观测取得的进展越来越显著，越来越多的天文学家投身到了火星研究中去，我们在此展示的各种图例直接反映了这种前进步伐。我们无法在此一一详述所有的研究工作，但我们要例举其中威廉·赫歇尔的发现——他除了观测火星地貌，还尤其关注火星的极冠及其变化，并以此确定了火星的自转轴倾角。我们还要例举施罗特的成果——他细致描绘的火星图已经让我们对火星外貌的主要特点有了了解。还应注意的是，在施罗特的观测结果中，有些细节后来被斯基亚帕雷利大量标注并冠以运河的名称，这些形状狭长的显著细节被赋予了神秘色彩。
可见，从19世纪初开始的观测结果已经让我们了解到了这颗行星总体样貌的轮廓。当时的观测工具各式各样，有望远镜，也有天文望远镜，各种仪器的性能千差万别，但质量尤其是光学部件质量的完善使得图像的清晰度越来越令人满意，火星细节研究也取得了巨大进步。由于火星上的大块斑纹呈深色，即便是最小的观测工具也能辨识出来，但还不足以精确揭示它们的形状和轮廓，尤其在颜色变化方面——我们将看到这对火星研究的意义重大——这些普通工具束手无策。
施罗特所绘的三幅火星图（1798年和1800年）
比尔和梅德勒所绘的火星图（1830年和1832年）
比尔和梅德勒于1820年至1839年间完成的杰出工作证明了，即使通过简易设备也能有效观测火星，但前提是这些观测工具性能出色。比尔和梅德勒使用的望远镜的物镜为108毫米，在当时已臻于完美，他们由此证实并补充了前人的研究成果，可以说二人对火星的研究已经相当完整。我们想要强调的是，比尔和梅德勒是最早尝试制作火星地图的天文学家，我们此处附上的地图虽然只能让人辨认出火星地理分布的主要轮廓，但二人的火星地图曾一度被奉为经典。他们还选择了位于火星赤道附近的一小块非常明显的暗斑作为经线的起点；这条本初子午线后来被一直沿用了下去，而与之有关的地貌被命名为子午线湾，之后斯基亚帕雷利赋予它“Sinus meridiani”这一拉丁文专业术语名称，但我们注意到，比尔和梅德勒的经度递增方向与后来人们绘制火星地图采用的方向相反。
继比尔和梅德勒之后，人们对火星的描绘越来越精确，其中神父塞齐（1858年）、洛克耶（1862年）和道斯（1864年）的观测所提供的信息之准确，即使拿到现在审视也无可指摘。尤其是在道斯的火星图中也出现了几条施罗特一早就发现的著名运河。
我们在此只能概述前人所做的研究。多亏了他们的工作，我们对火星的认知才如此丰富，以至于为了方便描述和指称，我们有必要建立一套专业术语以仔细研究各种细节在地图上的分布。火星上类似海洋（深色斑块）和大陆（浅色、黄色或橙色斑块）的地貌自然就被唤作海洋和大陆。1867年，普罗克特根据当时已知的所有信息，公开了第一版此类型的火星地图：海洋、大洋、陆地或岛屿都以著名天文学家的名字命名。
比尔和梅德勒绘制的第一幅火星世界地图（1830—1832）
只需将这张地图与通过现代观测绘制的地图进行对比，就能发现人类在火星地貌观测领域实现了多大的进步。也许普罗克特的火星地图已经足够准确地展现了这颗行星地貌的总体布局；但这样的地图依旧太过初级，展示的界线太过分明。毋庸置疑，图中的轮廓线是借鉴了当时被普遍接纳的观念，即火星上能看到海域，在这样的定义下，海洋与陆地的分界线应该是清晰明确的。对此，我们将根据现代观测站的巨型仪器所提供的信息，在后文中做进一步考察，因为在这一话题之前，我们必须指出，尽管在火星地貌的构成上人们持有不同见解，但这些观点不是一蹴而就的，我们目前可用的探测手段在用来获得各种新发现的同时，也为过去无数模糊瞥见或假设提供了佐证。
道斯绘制的三幅火星地图
在经历了这几个阶段之后，人类才有了目前对火星的认知水平，因此我们有必要强调中间的过程，这也是为什么我们会对早期的火星观测成果如此长篇大论。此外，以上的阐述除了其自身的历史意义，还说明了一点：人们很快就倾向于认为火星是所有行星当中最像地球的星球。我们还应注意的是，这种相似性主要建立在我们看到的火星外貌上，且火星地图与地球上的地貌相对应，所以人们自然会联想到火星具有与地球类似的特点。在这中间，有各种因素起着作用：望远镜观测到的图像规模有限；光学领域的不完善使我们只能得到整体的大致轮廓，而微小的细节及其布局的复杂性无从得知。因此，那些大面积斑块自然可以被认出，但我们无法知道它们的结构特性。早期的火星观测活动引发了看上去相当合理的推测，同时这些观测让人们了解到火星上由暗斑和亮斑构成的永久性的地形轮廓；这一切都表明，我们发现的是火星多样化的真面目。基于这一观念——即使还有待完善——这颗行星所呈现的面貌并不像金星那般令人失望。理论上说，所有观测者看到的都是同样的细节，只是在这些有关构成火星地貌的细节的阐述上，不同的天文学家根据各自的描述和图形再现提出了无数多少有些对立的观点。此处我们依然要援引设备条件在其中扮演的角色，且地球大气层又添加了扰乱作用；除此之外，观测者的视力水平这一生理因素也非常重要。也许不受人为因素影响的摄像技术可以在一定程度上消除某些差别；但我们业已强调，通过摄影术获得的火星图像尺寸过小，能提供的信息依然有限，我们只能依靠眼睛直接观测火星呈现出的各种外貌乃至一切可能的细节。然而，即便火星的整体样貌看上去非常明显，但在严格对比不同作者画笔下的轮廓特点或浓淡色度后，我们就会发现所有人都各执一词，看似雷同的火星图远远没有那么多相似之处。当然，我们不是在讨论由自转导致的不同视角下火星外貌的差异，但实际上，球体的自转会使倾斜位置下的某个区域在被观测时产生变形，火星表面某个部分由于自转而连续出现在我们视野中的样子各不相同，这必然会导致各种不同的阐释。问题很快就来了：分歧的产生只是因为以上提到的偶然因素，还是因为实际因素，即火星地貌发生了真实的变动。另外，对于不同绘图呈现的变化，我们总是应该考虑到以下因素，即不同天文学家根据自己的理解，在图上呈现的变动程度也不一。
通过这些密集的观测活动，人类制成了第一张较为详尽的火星地图，这也是我们在目前的认知水平下绘制的火星地图的雏形，但上文所述的一切都促使我们要对这些观测结果重新审视。
普罗克特绘制的火星地图（1867年）
比较普罗克特于1867年绘制的火星地图与集成了现代观测手段所绘制的火星地图，可见人类在火星外貌的认知方面所取得的明显进步。
斯基亚帕雷利根据他从1877年至1888年的观测所绘制的火星地图
随着之后的观察条件不断完善，我们观测到的火星外观也越来越复杂，除了前文提到的塞奇、洛克耶和道斯的火星图，还有许多天文学家的绘图已经提供了相当令人满意的图像，以至于更现代的图像几乎只是用以补充细节的翻版。鉴于一直持续到现在的观测活动数量之庞大，本书不可能一一进行回顾，只有面面俱到的专著才敢有这样的抱负，我们在此仅仅试图从中提炼出最主要的部分。
首先，这些火星图的总体特点不是简单地呈现地形轮廓的布局，而是把火星表面明暗变化的差异摆到人们面前。我们下面就对火星地貌色彩的多样化这一特殊现象展开论述，但仅限于讨论浓淡色度之间的简单关系。我们发现，那些引人注目的暗斑颜色非常不均匀：一处的颜色极深，另一处呈中间色调或颜色明显变淡。这在一定程度上解释了为什么在不同观测条件下暗斑的外观与轮廓并不总是一一对应的。在火星研究史上最轰动一时的发现可以说就是火星运河了。我们已经看到，人类在早期比较详细的观测结果中就已发现了这种形态，直到斯基亚帕雷利在1877年和1879年证实了这种形态的大量存在，火星运河才名声大振。顾名思义，该形态的事物不是四散的斑点，而是成系统地遍布火星表面的某种网状物。
这一令人称奇的网络系统显示出某种惊人的几何规律，斯基亚帕雷利对其进行了细致研究并绘制了火星地形图，在当时没有哪幅火星图可与之在细节的丰富度和准确度方面一较高低。同时，对我们在上文中提到的早期对火星地貌的命名方式，斯基亚帕雷利代之以新的拉丁文术语系统——用地球上的地名以及神话中的地名来命名，之后新的火星发现也遵循了斯基亚帕雷利的命名方法，这套命名系统被沿用至今并不断壮大。
继斯基亚帕雷利之后，火星运河在全世界范围内被证实，甚至有的观测者发现了更多的火星运河，以至于有人认为火星的外观如网眼很密的发网那般复杂！此外，这些几何形的奇特线条引发了人们强烈的好奇心，因为某些时候火星运河成对出现，许多制图者将这样的运河外貌勾勒得犹如铁路的平行轨道。在这一点上，任何描述都不如借助天文望远镜观测来得有说服力……关于火星这种奇特的样貌，各家都费了无数笔墨展开讨论，火星也开始前所未有地声名大噪了起来，但我们不会在这个议题上停留太久，下文仅限于概述一些引人注目的事实。
这些分割火星表面的线条总体上非常精细，一开始它们被认为是十分规则的线条，因而在一些火星图上，我们能看到制图人用鸭嘴笔进行勾勒。有的运河更宽，也就更突出；有的还有明显的弯曲。总之，在面对一张火星外貌图时，我们不应忘记考虑球面会对视角产生的影响。我们还能发现，这些运河有时与不同色调区域之间的分界线重合，从而使得这些区域就像是被镶了边。
总之，我们从各种观测结果中可以看到，这些运河不只是在明亮区域上纵横交叉以沟通两片海域，它们还会在海面上继续延伸。此外，在运河的交叉点，甚至就在运河各自的轨迹上，人们注意到一些可能是湖泊的细小暗斑。所有这些细节，无论它们究竟代表的是什么，每次的可见度并不总是一样的，但它们似乎都经历过某些变动，然而观测者很难在一开始就断言变动真实存在，因为不论是观测显而易见的大面积暗斑，还是观测这些难辨的细节，任何影响精确性的因素都会导致不同的观测结果，但我们依旧认为，地貌变动的可能性不应被排除。
很长一段时间以来，火星运河激发了人们巨大却也合理的好奇心，但应当承认的是，火星运河之所以会被赋予特殊性，主要是因为当时的可见度堪忧。事实上，当我们后来能够运用一切现代光学资源研究火星运河时，就会发现它们完全丧失了神奇的几何规律，那些被认为是运河的轨迹，只是一种特殊的火星地貌沿着直线分布而已。由于光学手段的不足，大部分特殊环境只可被感知，眼睛无法一一分辨每个细小的斑点，所以才会觉得眼中合并在一块的模糊轮廓好像一条连续的条痕。在这一论题上，M.安东尼亚第借助巴黎默东天文台一架口径达83厘米的望远镜进行观测，并得出了火星运河只是错视这一确切结论。这一判断完全符合通过大型天文望远镜所能看到的火星图像——结构复杂、细节丰富，以至于我们往往不可能正确描绘出火星地貌的复杂性。
洛厄尔观测到的火星运河网呈几何状。
在这两幅火星图上，颜色深度不一的区域边缘有一些被形容为“运河”的痕迹。
由此可见，早期关于火星地貌本质的构想需要大量的修正，因为它们是建立在略显简单化的观测基础上的，这些在观测中显得均匀的地貌实际上结构十分多样。
火星运河的图解。笔直的条痕和暗斑（上图）是由或排成直线或聚集成团的细节在不完美的目力下形成的。
对于我们草草勾勒出的火星大体外貌，还应注意到的是它的极冠：白色调的极冠与周围以橘黄色为主色调，同时布满暗绿斑点的区域形成了鲜明对比。明亮的极冠非常容易辨认，因而很快得到了学界的承认。火星极冠的变化一直是各种研究的对象，这些研究为我们带来了有关行星天气情况和季节影响的宝贵信息。人类获知的数据不断累积，图像不断细化，所用手段的精度不断提高，这一切为各种各样的阐释提供了可能，而最新的解释为我们提供了另一种分析现象的角度。
M.安东尼亚第在默东天文台用一架口径为83厘米的大型望远镜进行观测后绘制的火星图
最后，火星除了这些特殊环境以及它经久不变的特性，还有其他地貌值得关注。我们已经指出人们对火星真实地形轮廓的改变或某些暗斑色调的变化所提出的某些猜测；一旦猜测被证实，我们就该承认这些变化是火星地表性质所固有的。人们还发现，有些变化是暂时性的，好像是有什么东西暂时挡在了我们眼前，遮住了火星上的细节。这些临时出现的现象只可能出自一个原因——大气；我们可以将这些现象类比为一些云状物盖住了大片可见区域：有些部分消失了，或者一些面积颇大的斑块明显变小了。有时无须出现临时性变化来揭露火星大气的存在，因为火星自己便呈现出被白色或浅黄的巨幅“面纱”覆盖的样貌。
我们看到，火星表面除了具有多样化的地形轮廓，还以它多变的面貌向我们表明了大气层的存在。而在目前勘探允许的范围内，我们多少发现了火星大气的变动，我们将进一步探讨这个论题，且火星上是否存在水也与之密切相关。大气和水对认知这颗星球的物理条件至关重要。
过去人们相信火星两极被大量冰川和浮冰所覆盖，这些地带呈现的大概就是图中这样的样貌。
火星上的空气和水
火星大气无法像金星大气那样能够被直接观测到。就太阳光照而言，火星与金星的情况完全相反，并且太阳光通过大气层内部的折射和散射对它们产生的明亮效果也不同。
因此，揭露火星大气，要么让大气通过其暂时的浑浊状态使自身的存在变得明显，要么通过它对火星地表造成的影响——若不援引大气的介入这层原因，我们很难解释火星地貌的变动，要么借助光谱分析的结果或者放射线拍摄的照片。尽管我们这次并不用面对巨大的分歧，但天文学家在大气的观测结果和阐释方面还是莫衷一是，这也催生了各种假说，而最新的假说与过去一直被人们所接纳的观点几乎毫无一致之处。人们争论的并非火星上有没有大气，而是关于火星大气的体量及其构成。
我们必须承认，是W.赫歇尔在针对极冠变化的观测中最早发现了火星大气的存在；极冠在火星的冬季增大，随着夏天的逼近而减小，就像融化了一般，对它的成因的最佳说法——可能也没有其他更好的了——是雪或冰在极地沉积(1)。也就是说，这一现象直接向我们展示了水蒸气循环和冷凝的结果。
之后的所有观测活动都证实了极冠会随着季节变化，且变化的范围极大——在冬季，这层白色覆盖物可以从极地一直延伸到纬度30度的地方，就好像地球北极的雪壳和冰块穿过不列颠群岛北部的纬线，一直扩张到整个北欧。另外，这层覆盖物一到夏季又会消失得几乎什么也不剩，这意味着中间发生过极为显著的反应，且南北两极的反应程度并不完全一样。
我们以上所说的极冠现象主要发生在火星的南半球，而在火星的北极，冬天极冠的范围要略微小一些，夏天极冠也融化得不那么完全。这与季节更替机制相符，因为当南半球处于冬至日时，火星运行到了距离太阳最远的地方，夏至日时又距离太阳最近，因此极冠的变化规模要比北半球的更加明显——北半球反而在夏天到来时离太阳最远，冬天到来时距日最近。
除了这些物理环境，火星自身的地表条件也介入了极冠变化的过程并影响其规模。比如，某些区域的地表和状态似乎会加快白色覆盖物的消失，其他表面则能够抑制极冠消散。至于其中的确切原因，人们依旧很难达成一致意见。
然而，通过现代观测，我们发现，火星极地似乎不像地球极地那样沉积了那么多的冰块和浮冰。我们能够确定的是，火星上的这片白色不如地球两极的冰雪覆盖得那么完全，甚至有些地方的白色覆盖物像变脏了似的大量消减，或者换一种说法，火星极冠并不完全是连续性的。这种样貌的产生可能是由于白色覆盖物的数量还不足以遮住整个地面，才使地表浮现无数暗斑；雪的厚度或冰霜沉积厚度的不足也许是对此番景象的最好解释。
格林于1877年9月观测到的火星南极极冠
火星极冠变化示意图。左栏是巴纳德在利克天文台的观测结果，右栏是弗拉马里翁和安东尼亚第在朱维西天文台的观测结果。 图上日期翻译：1894年5月21日；1894年7月29日；1894年8月13日；1894年10月7日；1894年11月12日；1900年10月23日；1901年1月14日；1901年3月22日；1901年5月19日；1901年7月6日
根据我们目前对火星的认知，极地的白色可能是不完全覆盖地表的一层薄薄的雪或霜的沉淀物。
所有这些不可否认的事实的存在前提有力证实了火星大气的存在，大气正是产生上述现象的首要原因，但在某种程度上这只是间接的证据，我们现在应当研究这层大气是否可以通过其构成中的浑浊物质，或者至少通过它对我们的观察视线所造成的影响而显露自身。恰好，我们已经搜集到了这类证据。总体来说，大气层多少会遮盖火星表面隐蔽的细节，这便解释了为什么在一些特定的时期里，同一个区域的地貌会呈现出某些不一致的地方，此处自然不考虑由于不同观测者的不同判断而不可避免产生的意见分歧，最重要的是关注那些有实证的言论。在早期对火星大气的观测中，塞奇神父于1858年声称看到了泛白的云雾，并认为这是火星大流沙地带上方的卷云。后来人们又在其他不同的区域观测到了类似的物质，有时甚至是一大片地域完全被白色所遮蔽。另外，在紫外线下拍摄的照片揭示出不断变幻的白色地貌，但这些对比鲜明的云雾和斑块光靠肉眼完全无法分辨。上述记录在案的发现再现了火星大气的整体状态，因而意义重大。
图为地球上的山地景观。大片的白色是层层积雪以及覆盖在凹凸不平的地面上的沉积的冰霜。此图可以用来对比和解释火星极冠的特点。
紫外线摄影可以暴露我们肉眼看不见的火星大气和白色云团。——赖特摄（利克天文台）
火星部分表面布满了云团。勃伊迪克于1881年12月20日绘制。
由于云团的海拔高度，在火星相位的明暗界线上会出现凸起的亮点。基勒于1890年7月6日绘制。
火星上的大气运动与地球上的云雾类似，然而我们不能明确指出它们是否是类型相似的物质，因为火星大气中还有其他更特殊的浑浊物质。过去人们认为，火星的橙色外观是它的大气层造成的。我们不会这样一概而论，但应当考虑大气的存在对火星颜色的影响，或者更确切地说，可能会使火星从黄色向淡红色转变。上世纪末，许多天文观测者都隐约看到了这种现象，M.安东尼亚第通过细致的研究证实了前人的这一发现，他确定这些显而易见的泛着白色的云团一直都在高频出现。这层有色“面纱”可能散布在极为广阔的区域上方，甚至偶尔会让一些地貌的细节消失在我们的视线中，或者改变地表不同部分的色调，亦或给极冠也染上一层浅色。此外，M.安东尼亚第还发现，这类现象多发于火星靠近近日点的时候，也就是火星上的太阳辐射强度达到最大的时候。基于这些条件，人们自然会认为上述现象的产生是由于气候的变动。最新的观测结果所提供的解释看起来最为合理：实际上每年在这段时间内，强风都会使火星沙漠的尘土扬起，由此造成了我们看到的有色云团。我们将在后文对火星沙漠展开论述。基于这一合理假说，各种观点都认同这是浑浊的沙尘在起作用，它们似乎比白色物质更贴近地面，而那层白色的“面纱”在本质上与地球大气中形成的云雾类似(2)。
一些观测结果向我们提供了大气高度的相关数据。有时我们会看到火星相位的明暗界线上凸起一些白色的斑点，有的斑点甚至完全游离出界线，就像我们会看到月球上一些被照亮的山峰出现在晨昏线之外。有不少天文学家，比如基勒和道格拉斯就分别在1890年和1900年指出过这些特殊情况，M.安东尼亚第则频繁观测到这类现象并提供了更多的细节。根据不同情况估算，火星云团已探知的海拔高度为8千米到24千米，比地球上云层的平均海拔还要高。研究还在继续，必然会逐步完善这些数值，并为我们带来有关火星大气内各种现象的有用信息；虽然对这背后的原因我们还不能得出明确的推论，但我们所观测到的现象揭示了浑浊物质形成于极高海拔这一明显事实。这一事实与火星大气密度减小和不断扩张并不矛盾，因为它们都与火星上微弱的重力有关。
下面我们将考察的是火星大气层的质量。我们会看到，在这个问题上，人们的观点逐渐发生着明显的转变。很长时间以来，人们都认同火星大气层几乎在各个方面都与地球大气层非常相像，早期的光谱学观测认为，火星大气包含相当大比例的水蒸气，这符合火星上存在着广阔海域和大洋这一假说以及极冠扩张现象。那时人们也认同，火星大气的组成成分与地球上的大气极为相似，但是人们发现，通常情况下火星的大气是透明的，因为我们前文所述的这层“面纱”呈白色云团状大量浮在高处的情况实际上非常罕见。这种相对罕见性更符合现代的研究结果，现代观测结合光谱分析以及对火星表面的直接观测，认为火星大气的体量远远小于地球大气，但关于火星大气的确切密度以及成分，人们还是各执一词。
事实上，尤其是在美洲进行的最新研究中，一部分天文学家试图证明火星大气中的水蒸气含量达5%，但另一部分研究结果认为，水这种成分在火星大气中的比例并不可观，有些观测结果甚至似乎完全否定了火星上水的存在。
同样与早期观念相左的是，现代基础知识告诉我们，如果火星大气中存在氧气，那么氧气的比例最大也只有地球上氧气比例的1/1000；当然也有其他不同的观测结果，比如亚当斯和圣-约翰在威尔逊山研究得出，火星大气中的氧气比例为16%。尽管应该对所有这些数值的准确度持保留态度，但我们不得不承认，从所有对大气层的观测结果来看，火星并不像我们一开始相信的那样是地球的翻版(3)。针对上述不同的观点，人们展开了对火星地貌特殊环境的深入研究，甚至在光谱研究得出结论之前，人们对火星地貌的结构及其轮廓或颜色发生的无可辩驳的变化的认知，已经抛弃了早先的观念即火星上存在大片海域，反而认同火星上只存在数量有限且几乎无迹可寻的水。
我们应当重视这些针对火星世界的观念和假说的演变。
地球上的云团T与火星上观测到的团状物M二者的高度对比
由于火星上空的云团浮于高海拔的位置上，在日落后的很长时间内云团依旧能被太阳照亮，所以它们能在深夜里闪闪发光。
(1) 根据NASA的研究，火星极冠主要还是由水冰组成，其表面则会随季节变化而形成干冰层。
(2) 火星上气候变化十分强烈，时常发生尘暴，有些大尘暴可产生尘埃云，持续数月之久，特大尘暴甚至可覆盖整个火星。
(3) 现测定火星大气成分主要为二氧化碳（95%）、氮气（3%）和氩气（1.6%），还有极少的氧气、水蒸气等。
火星地貌的性质和构成
随着观测仪器性能越来越完善，火星上同一片区域的图像也越来越完善。
正如上文所示，我们对火星外貌的第一印象便是这颗星球与我们的星球有着太多的相似之处，至少人们以为在火星上看到了大面积分布着的大洋、陆地和岛屿。事实上，这些地形轮廓似乎并不像通过望远镜所观测到的那么简单；正如我们不断重申的那样，在远距离的观察下，我们采用的研究方法只够允许我们辨认出火星表面显露的大致轮廓，因此即便火星海岸线看上去十分清晰，我们也无法分辨出上面无数蜿蜒曲折的线条、狭小的海湾或者海角；但是在辨认斑块及其界限时，通过与前人绘制的图像进行对比，我们能看到光学领域的不断进步。如果我们关注火星上的某些特殊点，我们不可能不惊叹于每次对其重制的图像上所发生的深刻改变。在普通条件下，肉眼只能辨认出看似圆形的小斑点，随着观测条件的完善，我们会发现斑点形状其实一点也不规则，反而呈现出我们想象不到的轮廓。对此，我们已经在论述火星独特的运河景观时解释了其中的视错原因。
随着资料越来越丰富，我们不断注意到纯粹由器材因素带给图像的变动；除了这一原因，还有个人阐释的因素。然而，即便我们考虑到了一切因素，也不得不承认火星面貌还是显现出不容置疑的变动，因为这时它的轮廓或色度变化的规模超出了人们偶尔的意见分歧的范畴。
塞奇神父于1863年给出了他对火星地貌变化的猜想，卡米伊·弗拉马利翁在其著作的开篇便对该猜想进行了证实。
这些认知上的进步必然会给早期公认的观念带来某种修正。过去人们简单地认为，坚固的地表和流动的水层形成了如地球地貌般恒定的火星地理分布，如今取而代之的观念是火星地貌远没有那么稳定，也就是说它的海岸是模糊的，四散的潟湖或海域都很浅。对此我们应该注意到，那些人们从一开始就发现的深色斑块的不同色度，往往是水层的不同深浅导致的。
火星的变化
Sud：南；Nord：北 为了方便比较和识别，每隔90经度绘制一次从天文望远镜中看到的不同火星景观。
根据麦卡脱投影法绘制的火星平面球形图。图中不包含所谓的极地地区。
因此，为了明确问题范围，我们仅限于根据前人力图再现的火星景观图来思考有关火星地貌的推论。一般来说，过去人们都认同火星上的海岸略微高于海平面，千篇一律的低矮山坡脚下是广阔的海滩；地球上的某些潟湖区或海水退潮后露出的广阔海岸最接近火星的这种地貌特征。类似的地表状态显然会加速地貌的改变——海平面往复运动，海岸在震动下被重塑和改变。有人认为是极地冰雪的融化导致了海水体积的改变；还有人猜测是火星极小的卫星——我们将于下一节展开讨论——带来的轻微潮汐；亦或是大气运动导致的结果，换句话说，海浪击打沙咀脆弱的岸坝，被推倒的岸坝身后绵延起平坦的陆地。
简言之，这就是长久以来人们对火星景观的刻画，也是人们最容易联想到的火星总貌，但看似可靠的基本概念也会有被质疑的一天。至于火星地面以下的部分，我们不得不承认，它还有待人们天马行空地想象。设想火星内部淌着水流、山河湖海交错、平原和丘陵上饰有繁茂的植被，这一点也不荒谬，因为许多猜想都认为，火星表面呈现出的特殊颜色是由这些泛着红色或橙色的有机生命蔓延造成的……总之，人们设想中的火星无高低起伏，地貌千篇一律。事实上，在观测的最大限度内，人们无法分辨某个相位下出现在晨昏线上的凸起部分是什么；唯一可以产生类似效果的——正如我们在前文中看到的那样——无疑就是云雾，因为这些凸起时有时无。
火星表面就像人们设想的那样没有明显的凹凸不平；但是如果——虽然我们很难想象火星会是另一番面貌——火星上确实存在某些隆起，它们也要比月球凸出部分的平均海拔低；实际上，类似的隆起在某些观测条件下是可以被分辨出的。尽管人们对火星地貌真实布局的研究中还存在这些不确定因素，但从所有观测事实中能得出此肯定的观点：火星上不存在大量或孤立或聚集的山脉。
总体来说，火星表面可被认为是较为平坦的，或者说极少有崎岖不平的情况。这一结论的确立需要合理的解释，于是人们提出了各种假说来解释导致这种状态的主因。事实上，我们可以反问：这是否并非火星的最初状态，或者说会不会存在过规模十分有限或不同于地球上的造山运动。但同样符合逻辑的假设是，火星超前的演化使得火星地表的凸起部分在各种自然因素的作用下被侵蚀至逐渐归为平整。甚至将这两个主要假说结合起来也合情合理：后者的结果在前者的催化下加速发生。
为了证明这种侵蚀作用的合理性，人们通常得先认同，从宇宙起源论的角度来看，火星应该比地球更年老。与地貌的改变同时发生的还有水的匮乏，归根结底，火星可能先我们一步进入脱水阶段，而这也让人类看到了地球将来的命运。
根据火星地貌被赋予的特点，人们很容易由火星上的海滩联想到地球上某些海岸的样子。
所有这些假说绝不是不可能发生的，也许它们来源于人们对表象的阐释和逻辑推论，而这些推理的基础是我们能够直接在地球上掌握的结论。我们应该回忆一下在前文中探讨过的自然因素的作用以及它们产生作用的机制。为了提出一个精确的推论，我们应该确定自然作用在相似的材料上所产生的效果是一样的；既然火星的整体密度明显小于地球，便可知火星是由较轻的材料构成的，然而除此之外，我们对火星地表的本质一无所知。尽管如此，我们还是要进行对比，因为在对比中我们才能获得满意的解释。由于火星材料密度较小，所以它的岩石(1)即地表本身的成分逻辑上来说可能存在许多利于水逐渐渗透进地底的小孔，这可以用来解释火星相对干燥的地表；也因为多孔，火星才很难抵御那些能使地表产生裂缝的攻击，而这些裂缝又进一步加大了水渗透的可能性。火星完成这一过程也许要比地球慢得多，因为虽说轻薄的岩石似乎对自然摧残的抵御能力很弱，但自然的摧残力度也同样很小——不要忘了，与我们生活的世界相比，火星上的重力强度要小得多。在同样的斜坡上，火星上水流动的速度更慢，而水流的力学作用或侵蚀作用与它获得的速度成正比，因此放慢速度的水流在火星的某些表面上也许起不到什么作用，就算有，其影响也非常有限。
火星“运河”如果真如人们过去想象的那样，那么其宽度之广好比将一人置于运河的一边，他就看不到运河的另一边，且他自以为面对的是海平面。
上图所示地球景观的特点让人联想到了火星海岸的样貌，人们曾认为是海水涨落使火星地貌呈现出明显的改变。
在这两幅火星外观图中，晨昏线或圆盘边缘出现了可能是云雾导致的条痕和巨大白斑。
所有这些推论只有在我们认同其原理的情况下才具有说服力，因为要为一片我们还不熟悉的地表推算出上面发生的侵蚀作用的过程及其结果，即使并非不可能，也实属困难。然而，那些认为火星的大片区域不是部分干燥就是全部干涸的观点，以及侵蚀现象会改变地表形态特点的常识，将有助于我们构想出火星可能呈现的主要景观。人们从这些信息以及那些一度被确认的数据中得到启发，认为火星的主调是“沙漠”，也就是呈一种类似撒哈拉沙漠的形态，这种联想并非毫无逻辑。我们已知广阔的黄色遮蔽物类似被风吹起的层层沙尘，它们被认为是干燥、多石或沙化区域的成因。既然如此，人们就有理由认为，火星的地表遭受着相当可观的风力侵蚀，或者说对岩石的打磨——就像是用喷砂处理一样。这种风力作用在沙漠地带随处可见，人们经常会看到沙漠上耸立着奇形怪状的风化残丘以及废墟状的岩山，但这总体来说只是地球上侵蚀过程中的一种过渡状态，即介于初始形态和最后可能被风力侵蚀得彻底消失之间。那么火星上可能存在同类形态的岩石吗？鉴于人们倾向于认同的火星更早衰老这一观点，如今火星可能几乎处于地表完全平整的阶段。我们当然要对上述猜测保留自己的意见；但基于数据以及最可靠的推论，我们还是能够对火星世界的某些特征有一个总体或大致的概念。
除此之外，人们还猜测，火星部分区域呈现出的大片明亮的黄色或微红色代表着大陆。我们要注意到，这些区域占据了火星表面积相当大的部分。早期人们推测火星上的深色斑块代表的是海洋，且火星上的海洋延伸范围很小，大部分都沦为了海湾。在这一点上，火星和地球非常不一样，因为地球上的海域占了总面积的4/5。火星上“海洋”的稀缺更印证了火星先于地球进行演化这一猜想。在其他有关火星海洋的见解中，我们主要列举斯塔尼斯拉斯·莫尼耶的观点。他注意到，如果地球上的海平面降低几千米（这可能是未来会出现的状况），那么地球的版图就会和火星高度相似，也就是说，那些发育不良的海域延伸开去的样子基本上就如同“瓶颈”。
受风力侵蚀的利比亚沙漠——布鲁诺·德·拉博里摄
尽管这种假设很吸引人，但它很难被全盘接受，因为迄今为止我们获知的数据都与火星表面水分严重匮乏有关，一些人认为，如此明显的干燥状态不由让人产生其实火星上根本没有水这一想法，至少在光谱学观测研究中未曾发现水的踪迹。不过，也有人怀疑，是否这些暗斑——大部分现代观点已不再把它们看作海域——是海域发生了改变，脱离了之前的状态，只剩下过去海洋盆地中那些最低矮的区域得以保存下来的结果。
如果我们不认同火星上这些黑暗区域代表的是水层，那么我们该如何解释它们呢？还有什么信息能引导我们推测出另一种情况呢？
这是一个我们在前文中业已提出的问题。我们不得不去考虑火星上某些地形在亮度、范围或布局上的明显改变，猜测火星海岸的不稳定性，至少这可以解释火星地形轮廓的改变。而在色度的变化中——暂不考虑由大气云雾造成的暂时性影响——又加入了其他十分显著的变化：颜色的明显变化往往与形状或范围的改变联系在一起。在上世纪末以前就有无数天文观测者隐约观察到了该现象，这极有力地破除了那些早先被公认的概念；现代调查研究带来的极有价值的新信息进一步证实了这一现象的真实性。在对此最完整也最精确的观测中，我们要再次引用M.安东尼亚第的观测成果：某些变化的周期并不规律，而其他变化似乎明显与火星上的四季更迭相对应。叙述安东尼亚第的发现可能会超出篇幅，但我们要强调的是这些为得到合理解释而进行的观测活动所取得的主要成果。
在描绘火星的整体外貌时，我们已经提到了“大陆”区域所呈现出的相当明显的黄色或淡红色，而那些暗斑则泛着绿色。后者的色调大体是因为视线的局限性，即暗斑在周围橘光的衬托作用下呈暗绿色，但更细致的研究揭示了暗斑实际上是由各种元素聚合成的，它们或多或少类似于从远处模糊看到的马赛克，最终呈现出的色调来自各种成分颜色的混合。我们可将之与从极远处或极高的地方看到的地球表面进行类比，其结构的复杂性根据其可视程度会呈现出不同的样貌，这些样貌有助于我们为火星外貌找到合理的解释。事实上，对一个遥远的观测者来说，这种地面马赛克由于其组成成分随季节而变，可能也会跟着发生变化，比如那些植被给斑块带来的主色调会从绿色变到红色，颜色根据占多数的植物种类而定。
此外，在火星上还能发现什么？有人还注意到，这些暗斑时常呈现出大理石般的纹路，并从一种色调向另一种转变，因此有些暗斑看上去依旧是绿色或蓝色的，其他这类色调的暗斑则逐渐转为褐色；还有那些灰色的斑块则会变成胭脂红或紫褐色。这些变化也会影响那些贯穿陆地的不规则条痕，即所谓的“运河”。
地球上沿海围垦地的景色类似火星上被“运河”覆盖的部分。
图为一片沼泽地，水在其中很不明显，这让我们想到了火星上不断变化的暗斑所代表的某些地区。
许多变化似乎都暗含着某种季节性，由此我们假设：火星上存在有机体，它们在光线及气温变动的影响下发生自我转变。借鉴地球上的经验，我们必然会将这些有机物看成某些植物，当然我们不会力图赋予它们确切的样貌，否则就过于离谱了，恰如其分地赋予火星有机物一种植物模式难道不是已经够吸引人的了吗？毕竟这是另一个星球上第一个可被我们直接识别的生命迹象。下面我们来重新思考一下这个重点问题。
不管上面的假设初看之下如何，它并不与火星的干旱相背离；就目前来看，干燥只是火星的表象，代表水的稀缺，但并不等同于绝对的干涸。此外，我们不也在地球上见过一些植物能够在一些地表毫无水分且需等待很长时间才能迎来吝啬降水的沙漠中生存吗？
尽管一切似乎都指向了海洋在火星上彻底缺席这一状况，但这并不意味着某些有限的水域无法存在于火星上。不要忘了在最开始我们谈到过的望远镜所得图像的特点：我们邻星上的那些宽度小于50 000米左右的物体可能就无法被清晰识别出来。因此，迄今为止，我们不可能发现那些小于这一尺寸的河水或湖泊的存在。火星表面没有水与火星可能存在范围有限的水资源二者也并不矛盾，因为水的分布情况也许可以解释我们所观察到的结果。
从高空俯瞰地球表面一部分大理岩的景观，这与我们看到的某些火星地貌类似。Max Cosyns-Van der Eslt在海拔12 000米的高空拍摄的改道之后的莱茵河以及莱茵河过去靠近卡尔斯鲁厄的河床
在这种理解的前提下，我们还要对地球上的现象进行一番对比和联想，比如沼泽地，它们可能会提供某些有用的参照。沼泽地里不稳定的积水维持住了大量具备适应能力的植被，而水往往就被掩盖在植物底下，且比地表水层的范围更广，这种有利条件会因土地的湿度而一直维持下去。此外，我们也看到了沙漠地区中形成的绿洲，绿洲覆盖区域的构成或布局使得地下深处聚集并留住一些水分。
如果我们能够这样来解释火星上斑纹的本质，同时不排除火星各个角落存在足够大范围的水资源的可能，那么这个星球上发生的许多变化的原因就找到了，至少其地形轮廓的改变得到了解释；同样地，我们也能更容易地设想有关火星运河的各种特征，尤其是它们在不同时期的可视程度问题。我们完全可以假设，我们看到的运河是火星在某些地质构造原理下呈现出的自然地貌，凹陷的洼地或是火星特殊的地表就沿着这样的地貌呈直线分布，并构成了沼泽环境。仅这一点就能解释前文提到的现象。有人好奇，为何这些线条总成对出现。这个现象曾一度引起人们强烈的兴趣和广泛的讨论，此处就不一一赘述，但我们有必要试着确定这种地貌可能对应的现实情况。运河总是平行成对出现，或者当一条我们熟知的运河消失时，在它原始位置的两侧又会形成一对平行的带状物，所有这些变化似乎都是突然显现的。根据这些描述以及这种现象的规模，我们现在应该能够确切估算出火星表面的这些运河达到了何种尺寸。然而，在这一方面，没有什么能比直接引用M.安东尼亚第打的比方来得更直观：拿塞纳河打比方，我们看到它突然消失的同时，又有两条类似的塞纳河形成了，一条连接敦刻尔克和斯特拉斯堡，另一条贯通阿夫朗什和里昂……不言而喻的是，我们还无从得知这些我们无法企及的星球所不愿示人的秘密，至少我们应当承认，任何自然力量的作用都无法用来解释火星运河的这种情况；还有一个值得强调的重要事实：某个观测者看到的是一对运河，另一个同时进行观测的人看到的运河却只有一条。人们完全有理由认为其中的原因包括用眼疲劳导致的视错觉、衍射作用或透过地球大气层进行天文观测所固有的麻烦，所有这些都可以用来解释为何人们一度对火星运河的几何形状如此线条分明十分坚信。现在我们意识到，问题也许仍未被解决，因为我们已经注意到，火星运河不一定是一条棱角分明的细线，它往往只是一条模糊的痕迹，只是在某些环境下被我们的错视误判了；或者它只是某片色度特殊的区域的边界。根据火星上分布着各种呈直线聚集的成分这一观点（我们已经推测出了这些组成部分的特点或根源以及它们的变化情况），我们认为，当这些成分所占范围足够宽广时，某一时刻它们被观测到的可能就是更为明显的边缘，由此人们才会以为看到了运河成双成对出现的短暂现象。
图中再现了火星上连续的水层（黑斑）、湿地（灰色区域）和植被群（灰点）；这些不断变幻的元素解释了在模糊视线下不规则且多变的“运河”整体样貌。
在火星这一如此有趣的星球上，还有许多未解之谜，但我们只能基于最新获知的有效数据来研究(2)。现在，我们对火星有了可能比过去更为可靠的认知，因而也更加靠近真相。我们可以足够准确地想象火星在哪方面与地球相像，或在哪方面与地球不同——这与火星是否适于人类居住有很大关系。而在深入该问题之前，我们必须在其中一个影响因素，即陪伴着火星的卫星们上稍做停留。
(1) 所有材料包括沙石、石灰石、黏土、花岗石等，无论它们是否坚固，在地质学中都被统称为岩石。这一表达可用于任何有足够的体积能在坚硬的地壳上占有一席之地的矿物堆。
(2) 现经由卫星探测和研究，可证明火星上环形山遍布，峭壁和大峡谷交错绵延，火星上最大的环形山奥林匹克火山高达26 000千米，而在火星的赤道等地区，弯曲的干涸河床密布，最长的河床长达1000千米。（数据来自《基础天文学》。）
火星的卫星
早期的天文观测者忽略了火星的卫星，因为只有用性能强大的天文仪器才能将它们识别出来。奇怪的是，有些观测者却相信卫星的存在，他们依据的就是在当时的科学史上难能可贵的逻辑推理。事实上，鉴于地球有一颗卫星，又根据伽利略的发现——木星有4颗卫星，克雷佩认为介于这两颗星球之间的火星应该伴有两个“月亮”。后来，人们发现土星四周有8颗卫星(1)，因此火星也有卫星这一观点被进一步巩固了。早在这一最新的天文发现公布之前，我们在斯威夫特的《格列佛游记》（大约写于1720年）中就读到了以下文字：“拉普达国的天文学家们发现了火星的两颗小星球，或者叫作卫星，更靠近主星的一颗离主星中心的距离恰好是主星直径的3倍。”“靠近的那颗10小时运转1周，外面的一颗则21小时运转1周。”若重读伏尔泰的《微型巨人》，我们会发现其中也说道：“在离开木星后，我们的游客穿过了近亿古里(2)才触及了火星。他们看到这颗星球有两个逃脱了天文学家法眼的‘月亮’。我知道卡斯特尔神父要撰文反对这两个‘月亮’存在的事实，但我会把这一发现托付给那些懂得以类比法得出推论的人。”
如果宇宙航行成为了现实，那么当太空飞船接近火星时，坐在里面的太空游客就能欣赏到火星风光，但他可能要先飞越一颗卫星。
我们不得不承认以上这些作品的远见卓识，它们不只预见了这类“月亮”的存在，还预见了其基本要素。
威廉·赫歇尔想借助他的巨型天文望远镜研究火星卫星，但一无所获，直到1877年，阿萨夫·霍尔通过一架在当时是性能最强大的华盛顿天文台望远镜发现了这类天体的存在。之所以在此之前火卫总是能从最细致的研究中成功逃脱，是因为它们的尺寸极小，在望远镜的视野中缩小到了微不足道的地步，它们微弱的亮光被近在咫尺的主星的光芒所遮盖。我们看到，这些天体并非普通观测活动能捕获的，只有用足够强大同时质量无可挑剔的光学仪器才能观测到它们。
Phobos：火卫一“福波斯”；Deimos：火卫二“得摩斯”火星卫星的轨道
火星的这两个“月亮”被赋予了神话人物福波斯和得摩斯(3)之名。我们首先来考察一下它们的位置以及它们绕火星的运动。福波斯距火星9000千米，得摩斯距火星23 000千米，但这些距离是从火星球心而不是表面开始算起的，若从火星表面开始计算，那么福波斯离主星还要更近。在这种情况下，福波斯与火星的距离实际上能缩减到6000千米，而得摩斯与火星的距离则缩减到了20 000千米左右。
从福波斯上看到的火星视直径巨大，与之形成对比的是从福波斯上看到的得摩斯（顶部的小圆盘）的视直径，就如我们看到的地球上空的月亮的那般娇小。
火卫一福波斯与巴黎的大小比较
比较分别从福波斯和得摩斯上看到的火星视直径。
由于如此近的距离以及万有引力定律，这些“月亮”都沿着各自的轨道做高速圆周运动，尤其是火卫一，它绕火星一周需要7小时39分钟，火卫二则需要30小时17分钟走完它的轨道。这样的运动周期使它们在火星上空形成了独特的景观，我们将在后文中做进一步论述。反过来，从火卫上看到的火星是一颗光辉无法估量的天体，因为这些“月亮”离主星太近了，我们的眼睛对从火卫上看火星所展现出的硕大身躯毫无概念。
关于火星卫星的外观及其构成我们仍然一无所知，因为它们的尺寸太小了，以至于看上去就像是没有面积的小点。通过光度测定，得出福波斯的直径为12千米，得摩斯为10千米。这两个天体各自的面积不会超出像巴黎这样一个大城市的大小，但我们将在下一章有机会见到比火卫更小的天体。
(1) 火星拥有两颗已被确认并命名的卫星，木星拥有79颗已被确认并命名的卫星，而土星拥有53颗已被确认并命名的卫星和9颗可能的尚未命名的卫星。（NASA）
(2) 古里为法国旧单位，有海陆之分，1古海里约合5.556千米，1古陆里约合4.445千米。
(3) 福波斯，英文为“Phobos”，即火卫一，平均半径11.1千米，现测定它距火星表面仅6000千米，并且还在以每100年1.8米的距离靠近火星；得摩斯，英文为“Deimos”，即火卫二，平均半径6.2千米，现测定它距火星表面23 460千米。
火星世界的景观
前文提及的所有事实以及随着认知的加深而不断获得的推论，让我们对火星的困惑变得比对金星要小。可能在这些推论中存在互相矛盾的观点，但这并不奇怪，因为我们缺少直接检验所需的一切要素。这些关于火星的讨论主要依赖对那些几乎能被所有人观测得到并记录在案的特殊环境的阐释，如果是针对金星的讨论，人们自然会意见相左。
目前确切掌握的有关火星特性的数据，比如火星的自转、季节变化的范围以及对火星地表形态和改变最合理的解释，都有助于我们准确构想出火星的整体外观，因而我们不再只凭纯粹的想象力来构想。
关于这颗与地球最为相似的星球，我们也许可以没完没了地讨论下去。火星宜居并不只是被当作假设提出而已，它已然成了一种现实，况且人们还自如地讨论着火星人，讨论着他们的体能和智商，可以说公众已经非常熟悉这些太空邻居了。有人认为著名的火星运河系统就是证明火星人存在及其活动的证据，因为这些运河是智慧生物的实用性创造——为了更好地运送火星上整体稀缺的水资源。甚至曾有假说认为，火星人可能给我们传送了信号，那些在火星相位边缘发现的亮点就是最好的解释！然而，我们现在知道这种现象毫不神秘，这些亮点毋庸置疑只是些被太阳照亮的云层。同样地，人工修建的火星运河这一说法经不起细致的研究，研究向我们揭示了运河的真实面目——火星地表形态和元素所固有的自然特点。
说实话，我们没有任何实在的证据证明在这个类地星球上存在着生命——为了避免说存在着人类。然而，我们也不能因此就有权否认那些没有证据证明存在的东西。我们唯一能采取的科学立场是去研究火星上是否没有那些我们认为有利于生命尤其是高等形式的生命出现的有利条件。我们刚才也看到了，过去，人们对火星生命的存在非常确定，而现在，人们又对此非常动摇，甚至某些作家倾向于持完全否定的观点。那些用以反对早期观念的论据是火星上空气稀薄且缺乏氧气和水蒸气，这使火星空气在特性上高度类似地球上高海拔地区的大气。在通向天际的山峰上，生物由于缺少维持生命的元素而停止生长，而且我们知道，人类若要登上高海拔地区，得万分谨慎和全副武装。
红外线摄影下的海边景色。近景中白雪覆盖植被的“雪景”效果又出现在了地平线上的首塞岛（Chausey）上。
红外线下通过望远镜摄影得到的岛屿细节——在上图中只呈现为一条白线。
况且，火星除了环境严酷，光照强度还非常弱，毕竟火星距离太阳要比我们距离太阳更远。
然而，我们不能据此就妄下过于绝对的结论。人们完全可以想象火星上会出现能适应这类环境的有机生物，因为在地球上就存在无数这类例子。我们看到，数不尽的生命迹象以各异的形态以及用于自卫和适应环境的功能，生存于迥异的环境之中：那些原始的生命——纤毛虫和硅藻能在热源附近或者冰雪融化的水里出现；一些沙漠中的植被找到了抵御干旱的办法；有些物种只在湿润的气候里生长，但其他还能在极地或者冰峰上存活，只要留给它们一小片土地就够了，它们的结构与生长会根据环境的不同做出相应的改变。
赖特在利克天文台摄制的红外线下的火星图像
回到火星这一特例中来，我们前面所有的扼要叙述可以总结为以下几点：火星并没有被完全剥夺供某些有机生命存活的条件，但火星环境与地球环境在成分比例上大相径庭，因此我们不得不承认，许多地球上的生命形式不可能在火星上得到复制。除非有新发现，否则任何想象火星生命体样貌的企图都是轻率的。所有将火星生命定义为树木或蔓生植物、初级或非初级动物，或定义为像我们人类一样的高等生物的观点，必然要被归于幻想范畴，因为我们没有任何验证的可能，人们自以为掌握的间接证据都是编造的，而其他看起来更加实际的证据，比如证明火星上存在植物的证据，也还是不够有说服力，因为这些证据只是某种被普遍接受的看似最为合理的阐释。
不过仅就火星上是否存在植物这一问题，我们完全可以做出各种推论，因为这是基于所见事实的，而不是简单的推理或头脑里的想象。为了证明刚才所述内容，即火星上的有机生命与地球上的如此不同，有一些观点需要注意。
植被假说是我们暂且认为最有利于解释火星特殊地貌的假说，但我们只能赞同其主要部分。显然，我们见证了无论是在范围上还是颜色上的或季节性或无规律的变化，即使我们十分确信——这正是这一假说成立的基础——火星上的一些现象与在地球上发生的类似，我们仍需谨慎，不要过分将二者等同化；换句话说，不要认为这些看似与地球上的植物同样运转着的火星植物，真的因此就多少等同于某些确定的物种，比如落叶植物或常绿植物：草、植物或树木。
红外线摄影下的夏季景色
采取这种谨慎态度不仅缘于科学的局限性，也鉴于我们在不同要素的对比中吸取的教训。
在概述研究方法时，我们要强调最新手段——通过筛选辐射线来进行记录——给摄影领域带来的宝贵帮助。在火星的例子中，通过红外线获取的图像能带来一些不容小觑的信息。其实我们都目睹过使用这种技术所取得的成果：在风景摄影方面，被拍摄的景观会呈现出人们意想不到或者至少是肉眼本难以分辨的样貌——借助这些特定的辐射线，夏日阳光下青葱的风景变成了一派冬天的景象，树木和草地就像覆盖了大雪，本来明亮的蓝天变成了墨汁般的漆黑一片。而且红外线很少或不会被大气层的厚薄程度所影响，因而能够将细节的图像定影，而人的肉眼有时却难以分辨这些被云雾遮蔽甚至完全磨灭的细节，所以即便在有大气干扰的情况下，我们刚才强调的红外线摄影术的特点依然存在，并使我们本无法分辨之物凸显出来，比如我们用肉眼分辨不清的与土地融为一体的植被就会被清晰地分离出来，因为红外线下它们会呈现出类似雪花片片的白斑效果以彰显自己的存在。
用红外线技术拍出的火星样貌没有呈现出上述的任何特殊效果，这类照片上的斑纹就如其他普通摄影所拍摄到的那样，区别就是在红外线下斑纹对比更加强烈，但我们没有必要分析这样的差异。即便火星上的某种特殊元素不会在红外线下发生改变，我们仍趋向于认为导致这些斑块的火星植被并不类似覆盖我们地面的植被。
此外，有人会反驳我们发现的——我们已经在前文指出了——是所有细节的总貌，但单个的细节难以分辨，因此结论可能是无效的，也就是说，我们的结论是根据呈绿色的斑块来建立的，然而这样的视觉印象可能是一些蓝点和黄点混合在一起产生的。尽管如此，类似的迹象似乎能在各个角落被发现，细节的整体效果最后或多或少都产生了某些明显的改变。
总之，尽管对地貌事实的阐释必然会得出火星存在植被这样的结论，但另一方面，人们似乎对火星植被与地球植被之间的相似性越来越持保留态度。除非我们了解到更多的情况，否则我们不得不将火星上存在有机生命只视为一种可能的假设，同时避免刻画这些生命，因为即便火星生命以任何方式显示了自身的存在，其特性也超出了我们的认知范围。
人们对火星生命及其形式的问题热情不减，但我们仍然无法长篇大论或者给出更精确的信息。尽管如此，关于火星特殊的物理环境以及在上面可能望见的主要景观，我们至少能给出更多确切的数据。
根据前文的介绍，我们知道火星表面总体来说较为平坦，从而导致了某种单调的、通常在沙漠中较为常见的地貌。其上方通常是一片比地球天空更暗淡的透明天幕——火星上空气稀薄且含水量很低。即使火星特殊的含尘云雾没有搅浑整片天空，天空还是极其暗淡，这种呈深蓝色的天空多少类似登山者或探险家所描述的地球高处大气层的模样。人们也可以做以下猜测：一些更明亮的星在白天也能在火星的上空显现，何况太阳——在火星上看到的太阳要小得多——施与火星的光芒只有它施与地球的2/5。
本书附的一幅彩色插图比较了分别在火星上和地球上看到的太阳大小。火星上空的这个小型太阳的运动与太阳在地球上空的运动十分相似。太阳在火星或地球同一纬度处的行程都一样，它在火星上空走得只比在地球上空稍慢一点，因为火星自转一周要比地球多37分钟，因此火星和地球的日夜交替现象实际上非常类似，都存在由季节导致的日夜时长不一的情况，日夜时长比例也一致，只是由于火星年更长，火星上的每个季节都要比地球上的更长。
而两个星球又有一些显著的区别。火星接收到的太阳辐射更少，且稀薄又洁净的大气层显然无法保存热量，因此热量辐射消散在太空当中，以上的双重原因导致火星整体气温相当低。我们很难对此形成确切的概念，只能根据理论上的推测或某些物理方面的测量，估算出火星的平均气温大约为-20摄氏度，尽管在正午时分赤道附近的最高气温可能超过零摄氏度；在经历了极度冰冷的夜晚后，日出时的温度可能达-60摄氏度，极地地区的气温自然还要更低。然而在许多方面，所有这些估算似乎与众多观测到的有关火星环境变化的结果相矛盾。在有新的信息被披露之前，我们得承认，关于火星气候学我们依旧不得不采取观望态度。
尽管如此，在火星寒冷的白天与冰冷的夜晚之间，天空从明亮转到黑暗的速度非常快，因为低密度的大气层不利于产生明显的黄昏。一旦日落，夜幕便极快地降临，而星辰则熠熠生辉，因为它们在火星上空亮度被削弱得较少，不会像在地球上空那样被大气吸收光芒。在这些星球之中，有两颗行星争奇斗艳：地球和木星。在火星的夜晚或晨曦时分都能看到天空中壮美的地球，类似于我们在地球上看到迷人的金星。有人试图把地球形容成火星上的牧羊人之星，因为在780天左右的时间内，火星上空的地球类似我们在地球上看到的金星，会连续呈现出一整套完整的相位，地球周围还伴有时而走到地球前，时而转到地球后的月球，月球也同时呈现出相应的相位。当然，像这样的景观，以及地球和月球不时会像黑色斑点一样投射在日面上的现象，只能借助望远镜才能观测到。
人们可能会从火星上看到地球和月球从太阳前面经过。
更惊奇的画面还是火卫在火星上空的轨迹。火星的这两颗卫星完全就像我们的月亮，但它们在火星上空呈现的尺寸极小：福波斯的视直径不超过我们在地球上看到的月亮大小的1/4，而得摩斯大约是1/10大小的月亮。且由于它们离主星过近，在不同视角下它们的星面大小也在改变：福波斯出现在天顶位置时，它的大小是在地平线上看到的两倍；得摩斯最大和最小的面积之间差3倍。这两个天体由于尺寸太小，驱散火星表面黑暗的能力十分有限；而且除了过小，火卫接收并反射的阳光没有月球多，因而其亮度也不及月亮。这两颗卫星的大小变化结合其不同相位，使它们会在某些时刻更加耀眼。我们回想一下新月相时月亮发出的灰白色微光——月盘剩余部分被来自地球反射的太阳光照亮。这一现象在火星上看会更加明显，因为更加靠近的距离使它的卫星尤其是火卫一在火星上空就像一面硕大的反光镜；又由于这两颗卫星本身的颜色，显眼的灰光会泛出迷人的橘色调。
用望远镜从火星上观察地球和月球。左图中月亮从地球前经过，右图中月亮转到了地球背后。
Phobos：火卫一“福波斯”；Deimos：火卫二“得摩斯”在地球上空看到的月亮与在火星上空看到的卫星之间的大小对比
这些迷人又精致的天象因为迅速的变换而显得更加奇特。事实上，由于这两颗卫星绕主星运动的速度较快，因此不像我们的卫星那样需要一天一夜才能呈现下一个月相，火卫每隔几个小时就能变换样貌。尤其是福波斯，它在太阳系中的运动就目前来说是独一无二的，它绕火星公转的速度比火星自转的速度还要快，似乎没有被天空的视运动所牵引（自转运动补偿），而是朝与其他星体相反的方向运行，比如我们看到，别的星体从东边的地平线上升起，而福波斯却在东边落下且消失得极快。“极快”一词并不夸张，因为对火星赤道上的某个点来说，从火卫一出现在西边的地平线上到它沉入东边的地平线，中间平均只隔了4小时15分钟。在火卫一快速行进的过程中，其视直径也在发生改变，结合它在轨道上相对于太阳所处的位置，火卫一会经历一套完整的相位。也就是说，有时火卫一升起时会呈新月状，然后渐满再渐亏，直至它结束行程东落；或者它先在西边显现1/4个圆盘，运行到天空正中时呈满月状，再减小到后1/4个圆盘，随着东落星面越来越小。如果要举出火卫一所有位置及其相对应的相位，同时细致分析成因，那么我们就太过偏离正题了，且上面列举的例子足以让我们构想出火卫一在火星上空呈现出的景观特点。至于火卫二，情况则完全不同，它的公转速度只比火星自转稍慢一点，因而它会在地平线上停留很长时间。和其他星球一样，火卫二也是东升西落，中间的时间间隔为60小时。根据所有这些运动的组合，火卫二每隔132小时东升，当天空转动时，火卫二相对于地平线的位置而言稍有难以觉察的改变，因而火卫二就像是在原地变换着相位。
我们还要指出的是，由于火星的这两颗卫星彼此做相反的运动，因而它们经常会擦肩而过，火卫一会部分或完全遮住火卫二。同样地，这两颗卫星在火星阴影中发生偏食或全食的频率非常高，尤其是福波斯。火星上也会发生日食现象，此处的日食指的是这两颗卫星会像小黑圆点从日面前方经过。每个火星年内由火卫一导致的日食约有1400次，由火卫二导致的约130次。火星上的日食现象除了发生频率高，每次的速度还非常快：火卫一导致的日食只持续19秒，火卫二导致的日食能持续108秒。两颗卫星同时食日的现象的确会发生，但极为罕见，这两个做超高速运动的黑色圆点在日面上形成了或互相分离或互相连结的奇观。
假设在望远镜中看到的火卫二被火卫一偏食的现象
由于火星卫星而产生的迅速的日偏食现象。每一幅图之间间隔10秒。
火卫散发的微弱亮光以及上述迷人而有趣的天象，在火星的大部分地区可见，鉴于火星的尺寸和它与卫星的距离，火卫在某些视角下会被完全遮住，对极地周围的某些区域来说，就从来看不到这两颗卫星从地平线上升起。从南北纬67度30的地区开始便看不到火卫一，从南北纬82度30开始火卫二就被永远埋在了地平线下面。
我们现在离开火星表面，去到它的两颗卫星上看一下这颗主星的样貌。鉴于火星的外观和尺寸，火卫上看到的火星必然宏伟且壮丽，我们在上文中就通过火星反射的光芒埋下了伏笔。
从火卫上看火星的运行类似从月球上看地球的运转。在两颗火卫上都能看到主星相位接替的全过程，其与从火星上看的火卫相位接替同步，但最让人震惊的还属火星圆盘的庞大尺寸：从福波斯上看到的火星张角为42度，也就是说，如果火星在火卫一空中下缘接触地平线，那么它的上缘便介于地平线和天顶的正中间。这比我们在地球上看到的月亮还要大80倍！从得摩斯上看到的火星尺寸没有从福波斯上看到的那么硕大，但还是达到了16度的张角，也就是月球视直径的32倍。
如此近的距离使得这颗星球在火卫上空呈现出的样貌十分鲜明，甚至可以就此还原出它的球体，但在火卫上是看不到火星的极地地区的，因为正如我们前文所述，在火星的极地地区也见不到它的卫星。
此外，由于福波斯的平移运动与火星自转运动的结合，从福波斯上看到的火星自转周期似乎只有11小时6分钟，并且与火星真正的前进方向相反——就像一辆车与另一辆比它速度更快的车朝同一方向行驶时，对超过慢车的快车来说，慢车就像在倒退。相反，从得摩斯上望去，火星自转的速度看上去变慢了，需要132小时才能连续看到火星上的所有点。
可见，火星世界以它独有的特点和奇观，成为我们星际之旅中最有趣的站点之一，我们在火星这一站逗留了不少时间。似乎一眼望去我们就能得到非常丰富的火星细节，毕竟这颗星球如此靠近我们，为我们的研究呈现出最为完整的自己，因而我们对火星的认知要比对其他任何行星的认知都要更加深入、确定。
以上的所有数据可能会引发好奇的人类无数大胆的猜想。确实，火星世界允许我们进入迷人的想象空间，但是我们之所以认为应当谨慎地持保留态度，是因为这是科学的严谨性所要求的，且现代研究成果越来越精确，也越来越大地改变了我们对这颗类地行星的固有观念……
当火星运行到太阳背面发生上合时，火星正好在远日点附近，此时它与地球的距离最远；如果冲日的火星正好在近日点附近，那么此时它与地球的距离最近。这两种情况下的火地距离相差极大，由于这些不同的距离，我们所看到的火星视大小也不一，相差最大时就如上方的插图所示。火星最大视直径为25角秒，此时的观测效果最佳，只需放大75倍，天文观测仪视域中的火星理论上就能和我们用裸眼看到的月面大小相当，因此我们能在某些时刻卓有成效地进行火星观测，尤其当大气条件允许我们使用高放大倍数的大型天文望远镜时，但根据上文所示的火星和地球运动的组合，最有利的观测条件每15年才出现一次。
每次火星冲日都发生在轨道的不同位置上，导致火星的视直径也随之变化。
现在我们来研究一下冲日周期内火星连续7次的冲日情况。当然像这类的数据都是平均值，但对综述来说已经足够了。因为每次冲日都发生在轨道的同一点附近，所以大冲可以是冲日的火星恰好在近日点上，也可以是在近日点附近，即比冲日当天提早或推迟几天。我们例举目前正在进行中的冲日周期：最近一次最佳冲日发生在1924年，这一次的“最佳”称号名副其实——火星逼近地球的距离几乎达到了最短，视直径达25.1角秒(1)；接下来的冲日发生在1926年，火星离地球稍远，视直径为24.4角秒；第三次是在1928年，视直径只有16角秒；第四次在1931年，冲日的火星在远日点附近，视直径降到了14.4角秒，到了1933年视直径还要更小，只有13.9角秒。继这两次最不利于观测的火星冲日后，接下来冲日的火星又开始靠近地球：1935年，冲日火星的视直径达15角秒；1937年，视直径增至18.4角秒；该周期的最后一次火星冲日发生在1939年，我们将再次看到又大又亮的火星，这也标志着新一轮冲日周期的开始。
以上的每次会合周期里，我们都会看到从正面被照亮的火星相对于太阳所处的各种角位。由于这种相对靠近的距离，我们在某些时候能看到火星没有被照亮的部分。火星不像月球、水星和金星那样会呈现出一组完整的相位，火星相位略不同于完整的圆面，最大相位发生在东西方照之时——分别在冲日前后，火星在天空中的位置与太阳成直角；此时未被照亮部分的宽度占了火星视直径的1/7，我们看到的火星类似满月前后几天的月相。因此，我们就能够观察到火星上的斜照界限，这对揭示火星表面的凹凸状况以及大气现象极有价值。
我们所见到的每次冲日的火星大小不一，除此之外，由于火星的自转轴倾角，这个球体呈现在我们眼前的方位也不同，这是我们在详细研究火星表面及其特性时不容忽视的因素。
最大相位下的火星样貌
火星球体与轨道平面的倾角以及火星的气候带。C是北极圈，C’是南极圈，T和T’是回归线。图中的火星北半球正处于夏至日。P le Nord：北极；Plan de l’orbite：轨道平面；quateur：赤道；P le Sud：南极
当冲日的火星在近日点时，正对我们的是倾斜的火星球体的南半球（上）；当冲日的火星在远日点时，正对我们的是北半球（下）。对比火星在这两个位置上的视直径。
读者可以再次参照图示，图上除了标有轨道间的距离关系，还标注了有关火星季节更替的要素。我们看到二至点间连线靠近火星轨道长轴，因此根据火星的轴倾角，当火星在近日点冲日时，朝向地球的是火星的南极。在这种情况下，火星的整个南半球尽收眼底，北半球则完全没办法看见，只能看到火星圆面底部北半球的一部分。趁此机会我们顺便说明，图像在天文望远镜的视野中是颠倒的。对一个身处北半球的观测者来说，所观行星的北面会出现在底部，南面则出现在顶部，此处附上的图片就是这样来呈现行星样貌的；相反，如果冲日发生在轨道的另一侧，也就是火星在远日点附近，我们反而会看到火星北极正处于夏至日，北半球为夏季，不可见的则是南半球的大部分区域。在大冲和小冲之间的火星冲日，也就是上述两个位置的两侧期间，我们会看到，火星处于春秋分日，南北半球经历着不同的季节。这样一来便很容易解释火星在不同会合周期里呈现在我们眼前的不同样貌。
多亏了这些不同的观测条件，我们才能够掌握火星上的季节规律，并发现由此带来的显著影响，我们将于下文对此展开论述。最后，综合火星与地球之间的距离以及火星倾斜的角度，我们发现在细节的可见度方面，火星南半球要比北半球更便于研究。
(1) 火星冲日是指太阳、地球、火星依次几乎排列成一线的时候，而这里的“最佳冲日”是指火星大冲，火星此时位于其近日点上或附近，地球位于其远日点或附近，此时火星最接近地球且亮度最大。冲日和大冲之间的主要区别在于大冲之时，行星距离地球更近，更易被观测。最近一次的火星冲日发生在2018年7月27日，下一次火星冲日预计出现在2020年10月。
火星的外貌
我们已经明确了在什么样的条件下火星能相对离我们最近地供我们观测，现在我们要将关注点放在火星的特殊外观上。比起其他行星，也许火星能更好地见证人类对地球邻星们的认知是如何一步步得到完善的。在火星可视细节的测定方面，早先的基本概念很快就被更为可靠的数据所代替。在众多天文观测者的狂热之下，火星细节以惊人的方式不断变得更加精确，天文学家借助越来越强大的工具，致力于探索这颗长久以来一直被看成地球翻版的星球。
我们有必要对火星观测活动的发展做一番回顾，这段发展史同时也是以观测事实修正先入之见的过程。
首先我们注意到，尽管火星地貌及其特殊环境还有待我们深入，但我们至少不会像观测金星那样只能得到令人失望的结果。
总体来说，在火星所呈现出的黄色或橙色表面——用裸眼看去火星颜色相当有特点——有一些暗绿色的斑块，有的甚至颜色极深、对比清晰；这些斑块的可见度根据观测所用工具的性能而定。斑块在布局上最后组成了一个连续整体，至少我们总是可以识别出其主要的轮廓。我们同样可以在相当早的火星图上辨认出这些最主要的细节，但较之其他更为现代的火星图像仍有明显差距，其中的不同之处似乎主要缘自观测者个人的判断以及他对自己视觉印象的图解，因为我们不要忘了，虽然火星表面的细节相对清晰，但当火星在远日点冲日时，我们看到的火星尺寸相当有限甚至微不足道。要知道，天文望远镜所得的小尺寸图像会受到地球大气中的浑浊物质极大的影响。
只要是对天文观测稍有了解的人，就会在各种看似毫不一致的图像对比中找到线索。从中我们会发现，观测火星的难点至少不是观测金星时遇到的物理障碍——从不那么明显的表象中识别出某样东西。总之，如果我们仅满足于平均值，暂时忽略我们刚刚一再提到的偶然出现的分歧，那么从最早的观测开始不断积累的无数材料都对我们对火星的认知有极为重要的数据参考价值。
人们是如何越来越有效地观测火星的呢？我们有必要对此做一番回顾，以更好理解自上世纪末以来不断推陈出新的火星假说。
除非是在近日点冲日的情况下，否则只靠一台性能较弱的光学仪器，火星是很难被观测到的。就连伽利略的望远镜，除了能观测到一个小球形状的图像，也再不能提供更多的细节了，但这个图像所呈现的相位与哥白尼的日心说相符。之后冯特纳于1636年画出了最早的火星图，他笔下的火星中间装饰有一颗黑色“药丸”；第二幅火星图可追溯至1638年，冯特纳所画的火星相位清晰得有些夸张，在中心位置仍然出现了同样的斑块，但我们很难将此图像视为火星真实的样貌，因为我们注意到，圆盘中间那个完美的圆形在第二张图中随着火星相位的改变也相应变成了卵形。同样出自冯特纳之手的还有金星的外观图，也许他会画出这样的图像只是因为他使用的透镜还不够完善。我们之所以给出这些早期人类通过天文望远镜观测到的结果，皆是出于对历史的好奇之心。
冯特纳借助望远镜绘制出了最早的火星图（1636—1638）。
1659年11月28日惠更斯所绘的火星草图
紧随冯特纳的后继者们也没有带给我们有价值的信息。
后来，随着光学的迅速完善，惠更斯和D.卡西尼分别于1659年和1666年获得了一些具有启发性的观测结果。在他们还相当初级的火星图上出现了一些真正的斑块，尽管这些草图如此粗糙，人们还是能够从中辨认出主要的线条，尤其是在惠更斯的火星图上可以清楚地看到斑块由于火星自转产生了位移，据此惠更斯估算出了火星时长24小时的自转周期，也就是与地球自转相同的时长；后来卡西尼进一步证实了火星的自转周期大约为24小时40分钟，这一数字已经非常接近现代观测得出的精确数值：24小时37分钟23秒。
卡西尼还是发现火星南北极白斑的第一人，我们将在后文对此展开论述，因为这些现在被称为极冠的地区呈现的，正是火星上可被明显识别的最重要的地貌之一。
1666年卡西尼绘制的火星外观图
从这一时期开始，火星观测取得的进展越来越显著，越来越多的天文学家投身到了火星研究中去，我们在此展示的各种图例直接反映了这种前进步伐。我们无法在此一一详述所有的研究工作，但我们要例举其中威廉·赫歇尔的发现——他除了观测火星地貌，还尤其关注火星的极冠及其变化，并以此确定了火星的自转轴倾角。我们还要例举施罗特的成果——他细致描绘的火星图已经让我们对火星外貌的主要特点有了了解。还应注意的是，在施罗特的观测结果中，有些细节后来被斯基亚帕雷利大量标注并冠以运河的名称，这些形状狭长的显著细节被赋予了神秘色彩。
可见，从19世纪初开始的观测结果已经让我们了解到了这颗行星总体样貌的轮廓。当时的观测工具各式各样，有望远镜，也有天文望远镜，各种仪器的性能千差万别，但质量尤其是光学部件质量的完善使得图像的清晰度越来越令人满意，火星细节研究也取得了巨大进步。由于火星上的大块斑纹呈深色，即便是最小的观测工具也能辨识出来，但还不足以精确揭示它们的形状和轮廓，尤其在颜色变化方面——我们将看到这对火星研究的意义重大——这些普通工具束手无策。
施罗特所绘的三幅火星图（1798年和1800年）
比尔和梅德勒所绘的火星图（1830年和1832年）
比尔和梅德勒于1820年至1839年间完成的杰出工作证明了，即使通过简易设备也能有效观测火星，但前提是这些观测工具性能出色。比尔和梅德勒使用的望远镜的物镜为108毫米，在当时已臻于完美，他们由此证实并补充了前人的研究成果，可以说二人对火星的研究已经相当完整。我们想要强调的是，比尔和梅德勒是最早尝试制作火星地图的天文学家，我们此处附上的地图虽然只能让人辨认出火星地理分布的主要轮廓，但二人的火星地图曾一度被奉为经典。他们还选择了位于火星赤道附近的一小块非常明显的暗斑作为经线的起点；这条本初子午线后来被一直沿用了下去，而与之有关的地貌被命名为子午线湾，之后斯基亚帕雷利赋予它“Sinus meridiani”这一拉丁文专业术语名称，但我们注意到，比尔和梅德勒的经度递增方向与后来人们绘制火星地图采用的方向相反。
继比尔和梅德勒之后，人们对火星的描绘越来越精确，其中神父塞齐（1858年）、洛克耶（1862年）和道斯（1864年）的观测所提供的信息之准确，即使拿到现在审视也无可指摘。尤其是在道斯的火星图中也出现了几条施罗特一早就发现的著名运河。
我们在此只能概述前人所做的研究。多亏了他们的工作，我们对火星的认知才如此丰富，以至于为了方便描述和指称，我们有必要建立一套专业术语以仔细研究各种细节在地图上的分布。火星上类似海洋（深色斑块）和大陆（浅色、黄色或橙色斑块）的地貌自然就被唤作海洋和大陆。1867年，普罗克特根据当时已知的所有信息，公开了第一版此类型的火星地图：海洋、大洋、陆地或岛屿都以著名天文学家的名字命名。
比尔和梅德勒绘制的第一幅火星世界地图（1830—1832）
只需将这张地图与通过现代观测绘制的地图进行对比，就能发现人类在火星地貌观测领域实现了多大的进步。也许普罗克特的火星地图已经足够准确地展现了这颗行星地貌的总体布局；但这样的地图依旧太过初级，展示的界线太过分明。毋庸置疑，图中的轮廓线是借鉴了当时被普遍接纳的观念，即火星上能看到海域，在这样的定义下，海洋与陆地的分界线应该是清晰明确的。对此，我们将根据现代观测站的巨型仪器所提供的信息，在后文中做进一步考察，因为在这一话题之前，我们必须指出，尽管在火星地貌的构成上人们持有不同见解，但这些观点不是一蹴而就的，我们目前可用的探测手段在用来获得各种新发现的同时，也为过去无数模糊瞥见或假设提供了佐证。
道斯绘制的三幅火星地图
在经历了这几个阶段之后，人类才有了目前对火星的认知水平，因此我们有必要强调中间的过程，这也是为什么我们会对早期的火星观测成果如此长篇大论。此外，以上的阐述除了其自身的历史意义，还说明了一点：人们很快就倾向于认为火星是所有行星当中最像地球的星球。我们还应注意的是，这种相似性主要建立在我们看到的火星外貌上，且火星地图与地球上的地貌相对应，所以人们自然会联想到火星具有与地球类似的特点。在这中间，有各种因素起着作用：望远镜观测到的图像规模有限；光学领域的不完善使我们只能得到整体的大致轮廓，而微小的细节及其布局的复杂性无从得知。因此，那些大面积斑块自然可以被认出，但我们无法知道它们的结构特性。早期的火星观测活动引发了看上去相当合理的推测，同时这些观测让人们了解到火星上由暗斑和亮斑构成的永久性的地形轮廓；这一切都表明，我们发现的是火星多样化的真面目。基于这一观念——即使还有待完善——这颗行星所呈现的面貌并不像金星那般令人失望。理论上说，所有观测者看到的都是同样的细节，只是在这些有关构成火星地貌的细节的阐述上，不同的天文学家根据各自的描述和图形再现提出了无数多少有些对立的观点。此处我们依然要援引设备条件在其中扮演的角色，且地球大气层又添加了扰乱作用；除此之外，观测者的视力水平这一生理因素也非常重要。也许不受人为因素影响的摄像技术可以在一定程度上消除某些差别；但我们业已强调，通过摄影术获得的火星图像尺寸过小，能提供的信息依然有限，我们只能依靠眼睛直接观测火星呈现出的各种外貌乃至一切可能的细节。然而，即便火星的整体样貌看上去非常明显，但在严格对比不同作者画笔下的轮廓特点或浓淡色度后，我们就会发现所有人都各执一词，看似雷同的火星图远远没有那么多相似之处。当然，我们不是在讨论由自转导致的不同视角下火星外貌的差异，但实际上，球体的自转会使倾斜位置下的某个区域在被观测时产生变形，火星表面某个部分由于自转而连续出现在我们视野中的样子各不相同，这必然会导致各种不同的阐释。问题很快就来了：分歧的产生只是因为以上提到的偶然因素，还是因为实际因素，即火星地貌发生了真实的变动。另外，对于不同绘图呈现的变化，我们总是应该考虑到以下因素，即不同天文学家根据自己的理解，在图上呈现的变动程度也不一。
通过这些密集的观测活动，人类制成了第一张较为详尽的火星地图，这也是我们在目前的认知水平下绘制的火星地图的雏形，但上文所述的一切都促使我们要对这些观测结果重新审视。
普罗克特绘制的火星地图（1867年）
比较普罗克特于1867年绘制的火星地图与集成了现代观测手段所绘制的火星地图，可见人类在火星外貌的认知方面所取得的明显进步。
斯基亚帕雷利根据他从1877年至1888年的观测所绘制的火星地图
随着之后的观察条件不断完善，我们观测到的火星外观也越来越复杂，除了前文提到的塞奇、洛克耶和道斯的火星图，还有许多天文学家的绘图已经提供了相当令人满意的图像，以至于更现代的图像几乎只是用以补充细节的翻版。鉴于一直持续到现在的观测活动数量之庞大，本书不可能一一进行回顾，只有面面俱到的专著才敢有这样的抱负，我们在此仅仅试图从中提炼出最主要的部分。
首先，这些火星图的总体特点不是简单地呈现地形轮廓的布局，而是把火星表面明暗变化的差异摆到人们面前。我们下面就对火星地貌色彩的多样化这一特殊现象展开论述，但仅限于讨论浓淡色度之间的简单关系。我们发现，那些引人注目的暗斑颜色非常不均匀：一处的颜色极深，另一处呈中间色调或颜色明显变淡。这在一定程度上解释了为什么在不同观测条件下暗斑的外观与轮廓并不总是一一对应的。在火星研究史上最轰动一时的发现可以说就是火星运河了。我们已经看到，人类在早期比较详细的观测结果中就已发现了这种形态，直到斯基亚帕雷利在1877年和1879年证实了这种形态的大量存在，火星运河才名声大振。顾名思义，该形态的事物不是四散的斑点，而是成系统地遍布火星表面的某种网状物。
这一令人称奇的网络系统显示出某种惊人的几何规律，斯基亚帕雷利对其进行了细致研究并绘制了火星地形图，在当时没有哪幅火星图可与之在细节的丰富度和准确度方面一较高低。同时，对我们在上文中提到的早期对火星地貌的命名方式，斯基亚帕雷利代之以新的拉丁文术语系统——用地球上的地名以及神话中的地名来命名，之后新的火星发现也遵循了斯基亚帕雷利的命名方法，这套命名系统被沿用至今并不断壮大。
继斯基亚帕雷利之后，火星运河在全世界范围内被证实，甚至有的观测者发现了更多的火星运河，以至于有人认为火星的外观如网眼很密的发网那般复杂！此外，这些几何形的奇特线条引发了人们强烈的好奇心，因为某些时候火星运河成对出现，许多制图者将这样的运河外貌勾勒得犹如铁路的平行轨道。在这一点上，任何描述都不如借助天文望远镜观测来得有说服力……关于火星这种奇特的样貌，各家都费了无数笔墨展开讨论，火星也开始前所未有地声名大噪了起来，但我们不会在这个议题上停留太久，下文仅限于概述一些引人注目的事实。
这些分割火星表面的线条总体上非常精细，一开始它们被认为是十分规则的线条，因而在一些火星图上，我们能看到制图人用鸭嘴笔进行勾勒。有的运河更宽，也就更突出；有的还有明显的弯曲。总之，在面对一张火星外貌图时，我们不应忘记考虑球面会对视角产生的影响。我们还能发现，这些运河有时与不同色调区域之间的分界线重合，从而使得这些区域就像是被镶了边。
总之，我们从各种观测结果中可以看到，这些运河不只是在明亮区域上纵横交叉以沟通两片海域，它们还会在海面上继续延伸。此外，在运河的交叉点，甚至就在运河各自的轨迹上，人们注意到一些可能是湖泊的细小暗斑。所有这些细节，无论它们究竟代表的是什么，每次的可见度并不总是一样的，但它们似乎都经历过某些变动，然而观测者很难在一开始就断言变动真实存在，因为不论是观测显而易见的大面积暗斑，还是观测这些难辨的细节，任何影响精确性的因素都会导致不同的观测结果，但我们依旧认为，地貌变动的可能性不应被排除。
很长一段时间以来，火星运河激发了人们巨大却也合理的好奇心，但应当承认的是，火星运河之所以会被赋予特殊性，主要是因为当时的可见度堪忧。事实上，当我们后来能够运用一切现代光学资源研究火星运河时，就会发现它们完全丧失了神奇的几何规律，那些被认为是运河的轨迹，只是一种特殊的火星地貌沿着直线分布而已。由于光学手段的不足，大部分特殊环境只可被感知，眼睛无法一一分辨每个细小的斑点，所以才会觉得眼中合并在一块的模糊轮廓好像一条连续的条痕。在这一论题上，M.安东尼亚第借助巴黎默东天文台一架口径达83厘米的望远镜进行观测，并得出了火星运河只是错视这一确切结论。这一判断完全符合通过大型天文望远镜所能看到的火星图像——结构复杂、细节丰富，以至于我们往往不可能正确描绘出火星地貌的复杂性。
洛厄尔观测到的火星运河网呈几何状。
在这两幅火星图上，颜色深度不一的区域边缘有一些被形容为“运河”的痕迹。
由此可见，早期关于火星地貌本质的构想需要大量的修正，因为它们是建立在略显简单化的观测基础上的，这些在观测中显得均匀的地貌实际上结构十分多样。
火星运河的图解。笔直的条痕和暗斑（上图）是由或排成直线或聚集成团的细节在不完美的目力下形成的。
对于我们草草勾勒出的火星大体外貌，还应注意到的是它的极冠：白色调的极冠与周围以橘黄色为主色调，同时布满暗绿斑点的区域形成了鲜明对比。明亮的极冠非常容易辨认，因而很快得到了学界的承认。火星极冠的变化一直是各种研究的对象，这些研究为我们带来了有关行星天气情况和季节影响的宝贵信息。人类获知的数据不断累积，图像不断细化，所用手段的精度不断提高，这一切为各种各样的阐释提供了可能，而最新的解释为我们提供了另一种分析现象的角度。
M.安东尼亚第在默东天文台用一架口径为83厘米的大型望远镜进行观测后绘制的火星图
最后，火星除了这些特殊环境以及它经久不变的特性，还有其他地貌值得关注。我们已经指出人们对火星真实地形轮廓的改变或某些暗斑色调的变化所提出的某些猜测；一旦猜测被证实，我们就该承认这些变化是火星地表性质所固有的。人们还发现，有些变化是暂时性的，好像是有什么东西暂时挡在了我们眼前，遮住了火星上的细节。这些临时出现的现象只可能出自一个原因——大气；我们可以将这些现象类比为一些云状物盖住了大片可见区域：有些部分消失了，或者一些面积颇大的斑块明显变小了。有时无须出现临时性变化来揭露火星大气的存在，因为火星自己便呈现出被白色或浅黄的巨幅“面纱”覆盖的样貌。
我们看到，火星表面除了具有多样化的地形轮廓，还以它多变的面貌向我们表明了大气层的存在。而在目前勘探允许的范围内，我们多少发现了火星大气的变动，我们将进一步探讨这个论题，且火星上是否存在水也与之密切相关。大气和水对认知这颗星球的物理条件至关重要。
过去人们相信火星两极被大量冰川和浮冰所覆盖，这些地带呈现的大概就是图中这样的样貌。
火星上的空气和水
火星大气无法像金星大气那样能够被直接观测到。就太阳光照而言，火星与金星的情况完全相反，并且太阳光通过大气层内部的折射和散射对它们产生的明亮效果也不同。
因此，揭露火星大气，要么让大气通过其暂时的浑浊状态使自身的存在变得明显，要么通过它对火星地表造成的影响——若不援引大气的介入这层原因，我们很难解释火星地貌的变动，要么借助光谱分析的结果或者放射线拍摄的照片。尽管我们这次并不用面对巨大的分歧，但天文学家在大气的观测结果和阐释方面还是莫衷一是，这也催生了各种假说，而最新的假说与过去一直被人们所接纳的观点几乎毫无一致之处。人们争论的并非火星上有没有大气，而是关于火星大气的体量及其构成。
我们必须承认，是W.赫歇尔在针对极冠变化的观测中最早发现了火星大气的存在；极冠在火星的冬季增大，随着夏天的逼近而减小，就像融化了一般，对它的成因的最佳说法——可能也没有其他更好的了——是雪或冰在极地沉积(1)。也就是说，这一现象直接向我们展示了水蒸气循环和冷凝的结果。
之后的所有观测活动都证实了极冠会随着季节变化，且变化的范围极大——在冬季，这层白色覆盖物可以从极地一直延伸到纬度30度的地方，就好像地球北极的雪壳和冰块穿过不列颠群岛北部的纬线，一直扩张到整个北欧。另外，这层覆盖物一到夏季又会消失得几乎什么也不剩，这意味着中间发生过极为显著的反应，且南北两极的反应程度并不完全一样。
我们以上所说的极冠现象主要发生在火星的南半球，而在火星的北极，冬天极冠的范围要略微小一些，夏天极冠也融化得不那么完全。这与季节更替机制相符，因为当南半球处于冬至日时，火星运行到了距离太阳最远的地方，夏至日时又距离太阳最近，因此极冠的变化规模要比北半球的更加明显——北半球反而在夏天到来时离太阳最远，冬天到来时距日最近。
除了这些物理环境，火星自身的地表条件也介入了极冠变化的过程并影响其规模。比如，某些区域的地表和状态似乎会加快白色覆盖物的消失，其他表面则能够抑制极冠消散。至于其中的确切原因，人们依旧很难达成一致意见。
然而，通过现代观测，我们发现，火星极地似乎不像地球极地那样沉积了那么多的冰块和浮冰。我们能够确定的是，火星上的这片白色不如地球两极的冰雪覆盖得那么完全，甚至有些地方的白色覆盖物像变脏了似的大量消减，或者换一种说法，火星极冠并不完全是连续性的。这种样貌的产生可能是由于白色覆盖物的数量还不足以遮住整个地面，才使地表浮现无数暗斑；雪的厚度或冰霜沉积厚度的不足也许是对此番景象的最好解释。
格林于1877年9月观测到的火星南极极冠
火星极冠变化示意图。左栏是巴纳德在利克天文台的观测结果，右栏是弗拉马里翁和安东尼亚第在朱维西天文台的观测结果。 图上日期翻译：1894年5月21日；1894年7月29日；1894年8月13日；1894年10月7日；1894年11月12日；1900年10月23日；1901年1月14日；1901年3月22日；1901年5月19日；1901年7月6日
根据我们目前对火星的认知，极地的白色可能是不完全覆盖地表的一层薄薄的雪或霜的沉淀物。
所有这些不可否认的事实的存在前提有力证实了火星大气的存在，大气正是产生上述现象的首要原因，但在某种程度上这只是间接的证据，我们现在应当研究这层大气是否可以通过其构成中的浑浊物质，或者至少通过它对我们的观察视线所造成的影响而显露自身。恰好，我们已经搜集到了这类证据。总体来说，大气层多少会遮盖火星表面隐蔽的细节，这便解释了为什么在一些特定的时期里，同一个区域的地貌会呈现出某些不一致的地方，此处自然不考虑由于不同观测者的不同判断而不可避免产生的意见分歧，最重要的是关注那些有实证的言论。在早期对火星大气的观测中，塞奇神父于1858年声称看到了泛白的云雾，并认为这是火星大流沙地带上方的卷云。后来人们又在其他不同的区域观测到了类似的物质，有时甚至是一大片地域完全被白色所遮蔽。另外，在紫外线下拍摄的照片揭示出不断变幻的白色地貌，但这些对比鲜明的云雾和斑块光靠肉眼完全无法分辨。上述记录在案的发现再现了火星大气的整体状态，因而意义重大。
图为地球上的山地景观。大片的白色是层层积雪以及覆盖在凹凸不平的地面上的沉积的冰霜。此图可以用来对比和解释火星极冠的特点。
紫外线摄影可以暴露我们肉眼看不见的火星大气和白色云团。——赖特摄（利克天文台）
火星部分表面布满了云团。勃伊迪克于1881年12月20日绘制。
由于云团的海拔高度，在火星相位的明暗界线上会出现凸起的亮点。基勒于1890年7月6日绘制。
火星上的大气运动与地球上的云雾类似，然而我们不能明确指出它们是否是类型相似的物质，因为火星大气中还有其他更特殊的浑浊物质。过去人们认为，火星的橙色外观是它的大气层造成的。我们不会这样一概而论，但应当考虑大气的存在对火星颜色的影响，或者更确切地说，可能会使火星从黄色向淡红色转变。上世纪末，许多天文观测者都隐约看到了这种现象，M.安东尼亚第通过细致的研究证实了前人的这一发现，他确定这些显而易见的泛着白色的云团一直都在高频出现。这层有色“面纱”可能散布在极为广阔的区域上方，甚至偶尔会让一些地貌的细节消失在我们的视线中，或者改变地表不同部分的色调，亦或给极冠也染上一层浅色。此外，M.安东尼亚第还发现，这类现象多发于火星靠近近日点的时候，也就是火星上的太阳辐射强度达到最大的时候。基于这些条件，人们自然会认为上述现象的产生是由于气候的变动。最新的观测结果所提供的解释看起来最为合理：实际上每年在这段时间内，强风都会使火星沙漠的尘土扬起，由此造成了我们看到的有色云团。我们将在后文对火星沙漠展开论述。基于这一合理假说，各种观点都认同这是浑浊的沙尘在起作用，它们似乎比白色物质更贴近地面，而那层白色的“面纱”在本质上与地球大气中形成的云雾类似(2)。
一些观测结果向我们提供了大气高度的相关数据。有时我们会看到火星相位的明暗界线上凸起一些白色的斑点，有的斑点甚至完全游离出界线，就像我们会看到月球上一些被照亮的山峰出现在晨昏线之外。有不少天文学家，比如基勒和道格拉斯就分别在1890年和1900年指出过这些特殊情况，M.安东尼亚第则频繁观测到这类现象并提供了更多的细节。根据不同情况估算，火星云团已探知的海拔高度为8千米到24千米，比地球上云层的平均海拔还要高。研究还在继续，必然会逐步完善这些数值，并为我们带来有关火星大气内各种现象的有用信息；虽然对这背后的原因我们还不能得出明确的推论，但我们所观测到的现象揭示了浑浊物质形成于极高海拔这一明显事实。这一事实与火星大气密度减小和不断扩张并不矛盾，因为它们都与火星上微弱的重力有关。
下面我们将考察的是火星大气层的质量。我们会看到，在这个问题上，人们的观点逐渐发生着明显的转变。很长时间以来，人们都认同火星大气层几乎在各个方面都与地球大气层非常相像，早期的光谱学观测认为，火星大气包含相当大比例的水蒸气，这符合火星上存在着广阔海域和大洋这一假说以及极冠扩张现象。那时人们也认同，火星大气的组成成分与地球上的大气极为相似，但是人们发现，通常情况下火星的大气是透明的，因为我们前文所述的这层“面纱”呈白色云团状大量浮在高处的情况实际上非常罕见。这种相对罕见性更符合现代的研究结果，现代观测结合光谱分析以及对火星表面的直接观测，认为火星大气的体量远远小于地球大气，但关于火星大气的确切密度以及成分，人们还是各执一词。
事实上，尤其是在美洲进行的最新研究中，一部分天文学家试图证明火星大气中的水蒸气含量达5%，但另一部分研究结果认为，水这种成分在火星大气中的比例并不可观，有些观测结果甚至似乎完全否定了火星上水的存在。
同样与早期观念相左的是，现代基础知识告诉我们，如果火星大气中存在氧气，那么氧气的比例最大也只有地球上氧气比例的1/1000；当然也有其他不同的观测结果，比如亚当斯和圣-约翰在威尔逊山研究得出，火星大气中的氧气比例为16%。尽管应该对所有这些数值的准确度持保留态度，但我们不得不承认，从所有对大气层的观测结果来看，火星并不像我们一开始相信的那样是地球的翻版(3)。针对上述不同的观点，人们展开了对火星地貌特殊环境的深入研究，甚至在光谱研究得出结论之前，人们对火星地貌的结构及其轮廓或颜色发生的无可辩驳的变化的认知，已经抛弃了早先的观念即火星上存在大片海域，反而认同火星上只存在数量有限且几乎无迹可寻的水。
我们应当重视这些针对火星世界的观念和假说的演变。
地球上的云团T与火星上观测到的团状物M二者的高度对比
由于火星上空的云团浮于高海拔的位置上，在日落后的很长时间内云团依旧能被太阳照亮，所以它们能在深夜里闪闪发光。
(1) 根据NASA的研究，火星极冠主要还是由水冰组成，其表面则会随季节变化而形成干冰层。
(2) 火星上气候变化十分强烈，时常发生尘暴，有些大尘暴可产生尘埃云，持续数月之久，特大尘暴甚至可覆盖整个火星。
(3) 现测定火星大气成分主要为二氧化碳（95%）、氮气（3%）和氩气（1.6%），还有极少的氧气、水蒸气等。
火星地貌的性质和构成
随着观测仪器性能越来越完善，火星上同一片区域的图像也越来越完善。
正如上文所示，我们对火星外貌的第一印象便是这颗星球与我们的星球有着太多的相似之处，至少人们以为在火星上看到了大面积分布着的大洋、陆地和岛屿。事实上，这些地形轮廓似乎并不像通过望远镜所观测到的那么简单；正如我们不断重申的那样，在远距离的观察下，我们采用的研究方法只够允许我们辨认出火星表面显露的大致轮廓，因此即便火星海岸线看上去十分清晰，我们也无法分辨出上面无数蜿蜒曲折的线条、狭小的海湾或者海角；但是在辨认斑块及其界限时，通过与前人绘制的图像进行对比，我们能看到光学领域的不断进步。如果我们关注火星上的某些特殊点，我们不可能不惊叹于每次对其重制的图像上所发生的深刻改变。在普通条件下，肉眼只能辨认出看似圆形的小斑点，随着观测条件的完善，我们会发现斑点形状其实一点也不规则，反而呈现出我们想象不到的轮廓。对此，我们已经在论述火星独特的运河景观时解释了其中的视错原因。
随着资料越来越丰富，我们不断注意到纯粹由器材因素带给图像的变动；除了这一原因，还有个人阐释的因素。然而，即便我们考虑到了一切因素，也不得不承认火星面貌还是显现出不容置疑的变动，因为这时它的轮廓或色度变化的规模超出了人们偶尔的意见分歧的范畴。
塞奇神父于1863年给出了他对火星地貌变化的猜想，卡米伊·弗拉马利翁在其著作的开篇便对该猜想进行了证实。
这些认知上的进步必然会给早期公认的观念带来某种修正。过去人们简单地认为，坚固的地表和流动的水层形成了如地球地貌般恒定的火星地理分布，如今取而代之的观念是火星地貌远没有那么稳定，也就是说它的海岸是模糊的，四散的潟湖或海域都很浅。对此我们应该注意到，那些人们从一开始就发现的深色斑块的不同色度，往往是水层的不同深浅导致的。
火星的变化
Sud：南；Nord：北 为了方便比较和识别，每隔90经度绘制一次从天文望远镜中看到的不同火星景观。
根据麦卡脱投影法绘制的火星平面球形图。图中不包含所谓的极地地区。
因此，为了明确问题范围，我们仅限于根据前人力图再现的火星景观图来思考有关火星地貌的推论。一般来说，过去人们都认同火星上的海岸略微高于海平面，千篇一律的低矮山坡脚下是广阔的海滩；地球上的某些潟湖区或海水退潮后露出的广阔海岸最接近火星的这种地貌特征。类似的地表状态显然会加速地貌的改变——海平面往复运动，海岸在震动下被重塑和改变。有人认为是极地冰雪的融化导致了海水体积的改变；还有人猜测是火星极小的卫星——我们将于下一节展开讨论——带来的轻微潮汐；亦或是大气运动导致的结果，换句话说，海浪击打沙咀脆弱的岸坝，被推倒的岸坝身后绵延起平坦的陆地。
简言之，这就是长久以来人们对火星景观的刻画，也是人们最容易联想到的火星总貌，但看似可靠的基本概念也会有被质疑的一天。至于火星地面以下的部分，我们不得不承认，它还有待人们天马行空地想象。设想火星内部淌着水流、山河湖海交错、平原和丘陵上饰有繁茂的植被，这一点也不荒谬，因为许多猜想都认为，火星表面呈现出的特殊颜色是由这些泛着红色或橙色的有机生命蔓延造成的……总之，人们设想中的火星无高低起伏，地貌千篇一律。事实上，在观测的最大限度内，人们无法分辨某个相位下出现在晨昏线上的凸起部分是什么；唯一可以产生类似效果的——正如我们在前文中看到的那样——无疑就是云雾，因为这些凸起时有时无。
火星表面就像人们设想的那样没有明显的凹凸不平；但是如果——虽然我们很难想象火星会是另一番面貌——火星上确实存在某些隆起，它们也要比月球凸出部分的平均海拔低；实际上，类似的隆起在某些观测条件下是可以被分辨出的。尽管人们对火星地貌真实布局的研究中还存在这些不确定因素，但从所有观测事实中能得出此肯定的观点：火星上不存在大量或孤立或聚集的山脉。
总体来说，火星表面可被认为是较为平坦的，或者说极少有崎岖不平的情况。这一结论的确立需要合理的解释，于是人们提出了各种假说来解释导致这种状态的主因。事实上，我们可以反问：这是否并非火星的最初状态，或者说会不会存在过规模十分有限或不同于地球上的造山运动。但同样符合逻辑的假设是，火星超前的演化使得火星地表的凸起部分在各种自然因素的作用下被侵蚀至逐渐归为平整。甚至将这两个主要假说结合起来也合情合理：后者的结果在前者的催化下加速发生。
为了证明这种侵蚀作用的合理性，人们通常得先认同，从宇宙起源论的角度来看，火星应该比地球更年老。与地貌的改变同时发生的还有水的匮乏，归根结底，火星可能先我们一步进入脱水阶段，而这也让人类看到了地球将来的命运。
根据火星地貌被赋予的特点，人们很容易由火星上的海滩联想到地球上某些海岸的样子。
所有这些假说绝不是不可能发生的，也许它们来源于人们对表象的阐释和逻辑推论，而这些推理的基础是我们能够直接在地球上掌握的结论。我们应该回忆一下在前文中探讨过的自然因素的作用以及它们产生作用的机制。为了提出一个精确的推论，我们应该确定自然作用在相似的材料上所产生的效果是一样的；既然火星的整体密度明显小于地球，便可知火星是由较轻的材料构成的，然而除此之外，我们对火星地表的本质一无所知。尽管如此，我们还是要进行对比，因为在对比中我们才能获得满意的解释。由于火星材料密度较小，所以它的岩石(1)即地表本身的成分逻辑上来说可能存在许多利于水逐渐渗透进地底的小孔，这可以用来解释火星相对干燥的地表；也因为多孔，火星才很难抵御那些能使地表产生裂缝的攻击，而这些裂缝又进一步加大了水渗透的可能性。火星完成这一过程也许要比地球慢得多，因为虽说轻薄的岩石似乎对自然摧残的抵御能力很弱，但自然的摧残力度也同样很小——不要忘了，与我们生活的世界相比，火星上的重力强度要小得多。在同样的斜坡上，火星上水流动的速度更慢，而水流的力学作用或侵蚀作用与它获得的速度成正比，因此放慢速度的水流在火星的某些表面上也许起不到什么作用，就算有，其影响也非常有限。
火星“运河”如果真如人们过去想象的那样，那么其宽度之广好比将一人置于运河的一边，他就看不到运河的另一边，且他自以为面对的是海平面。
上图所示地球景观的特点让人联想到了火星海岸的样貌，人们曾认为是海水涨落使火星地貌呈现出明显的改变。
在这两幅火星外观图中，晨昏线或圆盘边缘出现了可能是云雾导致的条痕和巨大白斑。
所有这些推论只有在我们认同其原理的情况下才具有说服力，因为要为一片我们还不熟悉的地表推算出上面发生的侵蚀作用的过程及其结果，即使并非不可能，也实属困难。然而，那些认为火星的大片区域不是部分干燥就是全部干涸的观点，以及侵蚀现象会改变地表形态特点的常识，将有助于我们构想出火星可能呈现的主要景观。人们从这些信息以及那些一度被确认的数据中得到启发，认为火星的主调是“沙漠”，也就是呈一种类似撒哈拉沙漠的形态，这种联想并非毫无逻辑。我们已知广阔的黄色遮蔽物类似被风吹起的层层沙尘，它们被认为是干燥、多石或沙化区域的成因。既然如此，人们就有理由认为，火星的地表遭受着相当可观的风力侵蚀，或者说对岩石的打磨——就像是用喷砂处理一样。这种风力作用在沙漠地带随处可见，人们经常会看到沙漠上耸立着奇形怪状的风化残丘以及废墟状的岩山，但这总体来说只是地球上侵蚀过程中的一种过渡状态，即介于初始形态和最后可能被风力侵蚀得彻底消失之间。那么火星上可能存在同类形态的岩石吗？鉴于人们倾向于认同的火星更早衰老这一观点，如今火星可能几乎处于地表完全平整的阶段。我们当然要对上述猜测保留自己的意见；但基于数据以及最可靠的推论，我们还是能够对火星世界的某些特征有一个总体或大致的概念。
除此之外，人们还猜测，火星部分区域呈现出的大片明亮的黄色或微红色代表着大陆。我们要注意到，这些区域占据了火星表面积相当大的部分。早期人们推测火星上的深色斑块代表的是海洋，且火星上的海洋延伸范围很小，大部分都沦为了海湾。在这一点上，火星和地球非常不一样，因为地球上的海域占了总面积的4/5。火星上“海洋”的稀缺更印证了火星先于地球进行演化这一猜想。在其他有关火星海洋的见解中，我们主要列举斯塔尼斯拉斯·莫尼耶的观点。他注意到，如果地球上的海平面降低几千米（这可能是未来会出现的状况），那么地球的版图就会和火星高度相似，也就是说，那些发育不良的海域延伸开去的样子基本上就如同“瓶颈”。
受风力侵蚀的利比亚沙漠——布鲁诺·德·拉博里摄
尽管这种假设很吸引人，但它很难被全盘接受，因为迄今为止我们获知的数据都与火星表面水分严重匮乏有关，一些人认为，如此明显的干燥状态不由让人产生其实火星上根本没有水这一想法，至少在光谱学观测研究中未曾发现水的踪迹。不过，也有人怀疑，是否这些暗斑——大部分现代观点已不再把它们看作海域——是海域发生了改变，脱离了之前的状态，只剩下过去海洋盆地中那些最低矮的区域得以保存下来的结果。
如果我们不认同火星上这些黑暗区域代表的是水层，那么我们该如何解释它们呢？还有什么信息能引导我们推测出另一种情况呢？
这是一个我们在前文中业已提出的问题。我们不得不去考虑火星上某些地形在亮度、范围或布局上的明显改变，猜测火星海岸的不稳定性，至少这可以解释火星地形轮廓的改变。而在色度的变化中——暂不考虑由大气云雾造成的暂时性影响——又加入了其他十分显著的变化：颜色的明显变化往往与形状或范围的改变联系在一起。在上世纪末以前就有无数天文观测者隐约观察到了该现象，这极有力地破除了那些早先被公认的概念；现代调查研究带来的极有价值的新信息进一步证实了这一现象的真实性。在对此最完整也最精确的观测中，我们要再次引用M.安东尼亚第的观测成果：某些变化的周期并不规律，而其他变化似乎明显与火星上的四季更迭相对应。叙述安东尼亚第的发现可能会超出篇幅，但我们要强调的是这些为得到合理解释而进行的观测活动所取得的主要成果。
在描绘火星的整体外貌时，我们已经提到了“大陆”区域所呈现出的相当明显的黄色或淡红色，而那些暗斑则泛着绿色。后者的色调大体是因为视线的局限性，即暗斑在周围橘光的衬托作用下呈暗绿色，但更细致的研究揭示了暗斑实际上是由各种元素聚合成的，它们或多或少类似于从远处模糊看到的马赛克，最终呈现出的色调来自各种成分颜色的混合。我们可将之与从极远处或极高的地方看到的地球表面进行类比，其结构的复杂性根据其可视程度会呈现出不同的样貌，这些样貌有助于我们为火星外貌找到合理的解释。事实上，对一个遥远的观测者来说，这种地面马赛克由于其组成成分随季节而变，可能也会跟着发生变化，比如那些植被给斑块带来的主色调会从绿色变到红色，颜色根据占多数的植物种类而定。
此外，在火星上还能发现什么？有人还注意到，这些暗斑时常呈现出大理石般的纹路，并从一种色调向另一种转变，因此有些暗斑看上去依旧是绿色或蓝色的，其他这类色调的暗斑则逐渐转为褐色；还有那些灰色的斑块则会变成胭脂红或紫褐色。这些变化也会影响那些贯穿陆地的不规则条痕，即所谓的“运河”。
地球上沿海围垦地的景色类似火星上被“运河”覆盖的部分。
图为一片沼泽地，水在其中很不明显，这让我们想到了火星上不断变化的暗斑所代表的某些地区。
许多变化似乎都暗含着某种季节性，由此我们假设：火星上存在有机体，它们在光线及气温变动的影响下发生自我转变。借鉴地球上的经验，我们必然会将这些有机物看成某些植物，当然我们不会力图赋予它们确切的样貌，否则就过于离谱了，恰如其分地赋予火星有机物一种植物模式难道不是已经够吸引人的了吗？毕竟这是另一个星球上第一个可被我们直接识别的生命迹象。下面我们来重新思考一下这个重点问题。
不管上面的假设初看之下如何，它并不与火星的干旱相背离；就目前来看，干燥只是火星的表象，代表水的稀缺，但并不等同于绝对的干涸。此外，我们不也在地球上见过一些植物能够在一些地表毫无水分且需等待很长时间才能迎来吝啬降水的沙漠中生存吗？
尽管一切似乎都指向了海洋在火星上彻底缺席这一状况，但这并不意味着某些有限的水域无法存在于火星上。不要忘了在最开始我们谈到过的望远镜所得图像的特点：我们邻星上的那些宽度小于50 000米左右的物体可能就无法被清晰识别出来。因此，迄今为止，我们不可能发现那些小于这一尺寸的河水或湖泊的存在。火星表面没有水与火星可能存在范围有限的水资源二者也并不矛盾，因为水的分布情况也许可以解释我们所观察到的结果。
从高空俯瞰地球表面一部分大理岩的景观，这与我们看到的某些火星地貌类似。Max Cosyns-Van der Eslt在海拔12 000米的高空拍摄的改道之后的莱茵河以及莱茵河过去靠近卡尔斯鲁厄的河床
在这种理解的前提下，我们还要对地球上的现象进行一番对比和联想，比如沼泽地，它们可能会提供某些有用的参照。沼泽地里不稳定的积水维持住了大量具备适应能力的植被，而水往往就被掩盖在植物底下，且比地表水层的范围更广，这种有利条件会因土地的湿度而一直维持下去。此外，我们也看到了沙漠地区中形成的绿洲，绿洲覆盖区域的构成或布局使得地下深处聚集并留住一些水分。
如果我们能够这样来解释火星上斑纹的本质，同时不排除火星各个角落存在足够大范围的水资源的可能，那么这个星球上发生的许多变化的原因就找到了，至少其地形轮廓的改变得到了解释；同样地，我们也能更容易地设想有关火星运河的各种特征，尤其是它们在不同时期的可视程度问题。我们完全可以假设，我们看到的运河是火星在某些地质构造原理下呈现出的自然地貌，凹陷的洼地或是火星特殊的地表就沿着这样的地貌呈直线分布，并构成了沼泽环境。仅这一点就能解释前文提到的现象。有人好奇，为何这些线条总成对出现。这个现象曾一度引起人们强烈的兴趣和广泛的讨论，此处就不一一赘述，但我们有必要试着确定这种地貌可能对应的现实情况。运河总是平行成对出现，或者当一条我们熟知的运河消失时，在它原始位置的两侧又会形成一对平行的带状物，所有这些变化似乎都是突然显现的。根据这些描述以及这种现象的规模，我们现在应该能够确切估算出火星表面的这些运河达到了何种尺寸。然而，在这一方面，没有什么能比直接引用M.安东尼亚第打的比方来得更直观：拿塞纳河打比方，我们看到它突然消失的同时，又有两条类似的塞纳河形成了，一条连接敦刻尔克和斯特拉斯堡，另一条贯通阿夫朗什和里昂……不言而喻的是，我们还无从得知这些我们无法企及的星球所不愿示人的秘密，至少我们应当承认，任何自然力量的作用都无法用来解释火星运河的这种情况；还有一个值得强调的重要事实：某个观测者看到的是一对运河，另一个同时进行观测的人看到的运河却只有一条。人们完全有理由认为其中的原因包括用眼疲劳导致的视错觉、衍射作用或透过地球大气层进行天文观测所固有的麻烦，所有这些都可以用来解释为何人们一度对火星运河的几何形状如此线条分明十分坚信。现在我们意识到，问题也许仍未被解决，因为我们已经注意到，火星运河不一定是一条棱角分明的细线，它往往只是一条模糊的痕迹，只是在某些环境下被我们的错视误判了；或者它只是某片色度特殊的区域的边界。根据火星上分布着各种呈直线聚集的成分这一观点（我们已经推测出了这些组成部分的特点或根源以及它们的变化情况），我们认为，当这些成分所占范围足够宽广时，某一时刻它们被观测到的可能就是更为明显的边缘，由此人们才会以为看到了运河成双成对出现的短暂现象。
图中再现了火星上连续的水层（黑斑）、湿地（灰色区域）和植被群（灰点）；这些不断变幻的元素解释了在模糊视线下不规则且多变的“运河”整体样貌。
在火星这一如此有趣的星球上，还有许多未解之谜，但我们只能基于最新获知的有效数据来研究(2)。现在，我们对火星有了可能比过去更为可靠的认知，因而也更加靠近真相。我们可以足够准确地想象火星在哪方面与地球相像，或在哪方面与地球不同——这与火星是否适于人类居住有很大关系。而在深入该问题之前，我们必须在其中一个影响因素，即陪伴着火星的卫星们上稍做停留。
(1) 所有材料包括沙石、石灰石、黏土、花岗石等，无论它们是否坚固，在地质学中都被统称为岩石。这一表达可用于任何有足够的体积能在坚硬的地壳上占有一席之地的矿物堆。
(2) 现经由卫星探测和研究，可证明火星上环形山遍布，峭壁和大峡谷交错绵延，火星上最大的环形山奥林匹克火山高达26 000千米，而在火星的赤道等地区，弯曲的干涸河床密布，最长的河床长达1000千米。（数据来自《基础天文学》。）
火星的卫星
早期的天文观测者忽略了火星的卫星，因为只有用性能强大的天文仪器才能将它们识别出来。奇怪的是，有些观测者却相信卫星的存在，他们依据的就是在当时的科学史上难能可贵的逻辑推理。事实上，鉴于地球有一颗卫星，又根据伽利略的发现——木星有4颗卫星，克雷佩认为介于这两颗星球之间的火星应该伴有两个“月亮”。后来，人们发现土星四周有8颗卫星(1)，因此火星也有卫星这一观点被进一步巩固了。早在这一最新的天文发现公布之前，我们在斯威夫特的《格列佛游记》（大约写于1720年）中就读到了以下文字：“拉普达国的天文学家们发现了火星的两颗小星球，或者叫作卫星，更靠近主星的一颗离主星中心的距离恰好是主星直径的3倍。”“靠近的那颗10小时运转1周，外面的一颗则21小时运转1周。”若重读伏尔泰的《微型巨人》，我们会发现其中也说道：“在离开木星后，我们的游客穿过了近亿古里(2)才触及了火星。他们看到这颗星球有两个逃脱了天文学家法眼的‘月亮’。我知道卡斯特尔神父要撰文反对这两个‘月亮’存在的事实，但我会把这一发现托付给那些懂得以类比法得出推论的人。”
如果宇宙航行成为了现实，那么当太空飞船接近火星时，坐在里面的太空游客就能欣赏到火星风光，但他可能要先飞越一颗卫星。
我们不得不承认以上这些作品的远见卓识，它们不只预见了这类“月亮”的存在，还预见了其基本要素。
威廉·赫歇尔想借助他的巨型天文望远镜研究火星卫星，但一无所获，直到1877年，阿萨夫·霍尔通过一架在当时是性能最强大的华盛顿天文台望远镜发现了这类天体的存在。之所以在此之前火卫总是能从最细致的研究中成功逃脱，是因为它们的尺寸极小，在望远镜的视野中缩小到了微不足道的地步，它们微弱的亮光被近在咫尺的主星的光芒所遮盖。我们看到，这些天体并非普通观测活动能捕获的，只有用足够强大同时质量无可挑剔的光学仪器才能观测到它们。
Phobos：火卫一“福波斯”；Deimos：火卫二“得摩斯”火星卫星的轨道
火星的这两个“月亮”被赋予了神话人物福波斯和得摩斯(3)之名。我们首先来考察一下它们的位置以及它们绕火星的运动。福波斯距火星9000千米，得摩斯距火星23 000千米，但这些距离是从火星球心而不是表面开始算起的，若从火星表面开始计算，那么福波斯离主星还要更近。在这种情况下，福波斯与火星的距离实际上能缩减到6000千米，而得摩斯与火星的距离则缩减到了20 000千米左右。
从福波斯上看到的火星视直径巨大，与之形成对比的是从福波斯上看到的得摩斯（顶部的小圆盘）的视直径，就如我们看到的地球上空的月亮的那般娇小。
火卫一福波斯与巴黎的大小比较
比较分别从福波斯和得摩斯上看到的火星视直径。
由于如此近的距离以及万有引力定律，这些“月亮”都沿着各自的轨道做高速圆周运动，尤其是火卫一，它绕火星一周需要7小时39分钟，火卫二则需要30小时17分钟走完它的轨道。这样的运动周期使它们在火星上空形成了独特的景观，我们将在后文中做进一步论述。反过来，从火卫上看到的火星是一颗光辉无法估量的天体，因为这些“月亮”离主星太近了，我们的眼睛对从火卫上看火星所展现出的硕大身躯毫无概念。
关于火星卫星的外观及其构成我们仍然一无所知，因为它们的尺寸太小了，以至于看上去就像是没有面积的小点。通过光度测定，得出福波斯的直径为12千米，得摩斯为10千米。这两个天体各自的面积不会超出像巴黎这样一个大城市的大小，但我们将在下一章有机会见到比火卫更小的天体。
(1) 火星拥有两颗已被确认并命名的卫星，木星拥有79颗已被确认并命名的卫星，而土星拥有53颗已被确认并命名的卫星和9颗可能的尚未命名的卫星。（NASA）
(2) 古里为法国旧单位，有海陆之分，1古海里约合5.556千米，1古陆里约合4.445千米。
(3) 福波斯，英文为“Phobos”，即火卫一，平均半径11.1千米，现测定它距火星表面仅6000千米，并且还在以每100年1.8米的距离靠近火星；得摩斯，英文为“Deimos”，即火卫二，平均半径6.2千米，现测定它距火星表面23 460千米。
火星世界的景观
前文提及的所有事实以及随着认知的加深而不断获得的推论，让我们对火星的困惑变得比对金星要小。可能在这些推论中存在互相矛盾的观点，但这并不奇怪，因为我们缺少直接检验所需的一切要素。这些关于火星的讨论主要依赖对那些几乎能被所有人观测得到并记录在案的特殊环境的阐释，如果是针对金星的讨论，人们自然会意见相左。
目前确切掌握的有关火星特性的数据，比如火星的自转、季节变化的范围以及对火星地表形态和改变最合理的解释，都有助于我们准确构想出火星的整体外观，因而我们不再只凭纯粹的想象力来构想。
关于这颗与地球最为相似的星球，我们也许可以没完没了地讨论下去。火星宜居并不只是被当作假设提出而已，它已然成了一种现实，况且人们还自如地讨论着火星人，讨论着他们的体能和智商，可以说公众已经非常熟悉这些太空邻居了。有人认为著名的火星运河系统就是证明火星人存在及其活动的证据，因为这些运河是智慧生物的实用性创造——为了更好地运送火星上整体稀缺的水资源。甚至曾有假说认为，火星人可能给我们传送了信号，那些在火星相位边缘发现的亮点就是最好的解释！然而，我们现在知道这种现象毫不神秘，这些亮点毋庸置疑只是些被太阳照亮的云层。同样地，人工修建的火星运河这一说法经不起细致的研究，研究向我们揭示了运河的真实面目——火星地表形态和元素所固有的自然特点。
说实话，我们没有任何实在的证据证明在这个类地星球上存在着生命——为了避免说存在着人类。然而，我们也不能因此就有权否认那些没有证据证明存在的东西。我们唯一能采取的科学立场是去研究火星上是否没有那些我们认为有利于生命尤其是高等形式的生命出现的有利条件。我们刚才也看到了，过去，人们对火星生命的存在非常确定，而现在，人们又对此非常动摇，甚至某些作家倾向于持完全否定的观点。那些用以反对早期观念的论据是火星上空气稀薄且缺乏氧气和水蒸气，这使火星空气在特性上高度类似地球上高海拔地区的大气。在通向天际的山峰上，生物由于缺少维持生命的元素而停止生长，而且我们知道，人类若要登上高海拔地区，得万分谨慎和全副武装。
红外线摄影下的海边景色。近景中白雪覆盖植被的“雪景”效果又出现在了地平线上的首塞岛（Chausey）上。
红外线下通过望远镜摄影得到的岛屿细节——在上图中只呈现为一条白线。
况且，火星除了环境严酷，光照强度还非常弱，毕竟火星距离太阳要比我们距离太阳更远。
然而，我们不能据此就妄下过于绝对的结论。人们完全可以想象火星上会出现能适应这类环境的有机生物，因为在地球上就存在无数这类例子。我们看到，数不尽的生命迹象以各异的形态以及用于自卫和适应环境的功能，生存于迥异的环境之中：那些原始的生命——纤毛虫和硅藻能在热源附近或者冰雪融化的水里出现；一些沙漠中的植被找到了抵御干旱的办法；有些物种只在湿润的气候里生长，但其他还能在极地或者冰峰上存活，只要留给它们一小片土地就够了，它们的结构与生长会根据环境的不同做出相应的改变。
赖特在利克天文台摄制的红外线下的火星图像
回到火星这一特例中来，我们前面所有的扼要叙述可以总结为以下几点：火星并没有被完全剥夺供某些有机生命存活的条件，但火星环境与地球环境在成分比例上大相径庭，因此我们不得不承认，许多地球上的生命形式不可能在火星上得到复制。除非有新发现，否则任何想象火星生命体样貌的企图都是轻率的。所有将火星生命定义为树木或蔓生植物、初级或非初级动物，或定义为像我们人类一样的高等生物的观点，必然要被归于幻想范畴，因为我们没有任何验证的可能，人们自以为掌握的间接证据都是编造的，而其他看起来更加实际的证据，比如证明火星上存在植物的证据，也还是不够有说服力，因为这些证据只是某种被普遍接受的看似最为合理的阐释。
不过仅就火星上是否存在植物这一问题，我们完全可以做出各种推论，因为这是基于所见事实的，而不是简单的推理或头脑里的想象。为了证明刚才所述内容，即火星上的有机生命与地球上的如此不同，有一些观点需要注意。
植被假说是我们暂且认为最有利于解释火星特殊地貌的假说，但我们只能赞同其主要部分。显然，我们见证了无论是在范围上还是颜色上的或季节性或无规律的变化，即使我们十分确信——这正是这一假说成立的基础——火星上的一些现象与在地球上发生的类似，我们仍需谨慎，不要过分将二者等同化；换句话说，不要认为这些看似与地球上的植物同样运转着的火星植物，真的因此就多少等同于某些确定的物种，比如落叶植物或常绿植物：草、植物或树木。
红外线摄影下的夏季景色
采取这种谨慎态度不仅缘于科学的局限性，也鉴于我们在不同要素的对比中吸取的教训。
在概述研究方法时，我们要强调最新手段——通过筛选辐射线来进行记录——给摄影领域带来的宝贵帮助。在火星的例子中，通过红外线获取的图像能带来一些不容小觑的信息。其实我们都目睹过使用这种技术所取得的成果：在风景摄影方面，被拍摄的景观会呈现出人们意想不到或者至少是肉眼本难以分辨的样貌——借助这些特定的辐射线，夏日阳光下青葱的风景变成了一派冬天的景象，树木和草地就像覆盖了大雪，本来明亮的蓝天变成了墨汁般的漆黑一片。而且红外线很少或不会被大气层的厚薄程度所影响，因而能够将细节的图像定影，而人的肉眼有时却难以分辨这些被云雾遮蔽甚至完全磨灭的细节，所以即便在有大气干扰的情况下，我们刚才强调的红外线摄影术的特点依然存在，并使我们本无法分辨之物凸显出来，比如我们用肉眼分辨不清的与土地融为一体的植被就会被清晰地分离出来，因为红外线下它们会呈现出类似雪花片片的白斑效果以彰显自己的存在。
用红外线技术拍出的火星样貌没有呈现出上述的任何特殊效果，这类照片上的斑纹就如其他普通摄影所拍摄到的那样，区别就是在红外线下斑纹对比更加强烈，但我们没有必要分析这样的差异。即便火星上的某种特殊元素不会在红外线下发生改变，我们仍趋向于认为导致这些斑块的火星植被并不类似覆盖我们地面的植被。
此外，有人会反驳我们发现的——我们已经在前文指出了——是所有细节的总貌，但单个的细节难以分辨，因此结论可能是无效的，也就是说，我们的结论是根据呈绿色的斑块来建立的，然而这样的视觉印象可能是一些蓝点和黄点混合在一起产生的。尽管如此，类似的迹象似乎能在各个角落被发现，细节的整体效果最后或多或少都产生了某些明显的改变。
总之，尽管对地貌事实的阐释必然会得出火星存在植被这样的结论，但另一方面，人们似乎对火星植被与地球植被之间的相似性越来越持保留态度。除非我们了解到更多的情况，否则我们不得不将火星上存在有机生命只视为一种可能的假设，同时避免刻画这些生命，因为即便火星生命以任何方式显示了自身的存在，其特性也超出了我们的认知范围。
人们对火星生命及其形式的问题热情不减，但我们仍然无法长篇大论或者给出更精确的信息。尽管如此，关于火星特殊的物理环境以及在上面可能望见的主要景观，我们至少能给出更多确切的数据。
根据前文的介绍，我们知道火星表面总体来说较为平坦，从而导致了某种单调的、通常在沙漠中较为常见的地貌。其上方通常是一片比地球天空更暗淡的透明天幕——火星上空气稀薄且含水量很低。即使火星特殊的含尘云雾没有搅浑整片天空，天空还是极其暗淡，这种呈深蓝色的天空多少类似登山者或探险家所描述的地球高处大气层的模样。人们也可以做以下猜测：一些更明亮的星在白天也能在火星的上空显现，何况太阳——在火星上看到的太阳要小得多——施与火星的光芒只有它施与地球的2/5。
本书附的一幅彩色插图比较了分别在火星上和地球上看到的太阳大小。火星上空的这个小型太阳的运动与太阳在地球上空的运动十分相似。太阳在火星或地球同一纬度处的行程都一样，它在火星上空走得只比在地球上空稍慢一点，因为火星自转一周要比地球多37分钟，因此火星和地球的日夜交替现象实际上非常类似，都存在由季节导致的日夜时长不一的情况，日夜时长比例也一致，只是由于火星年更长，火星上的每个季节都要比地球上的更长。
而两个星球又有一些显著的区别。火星接收到的太阳辐射更少，且稀薄又洁净的大气层显然无法保存热量，因此热量辐射消散在太空当中，以上的双重原因导致火星整体气温相当低。我们很难对此形成确切的概念，只能根据理论上的推测或某些物理方面的测量，估算出火星的平均气温大约为-20摄氏度，尽管在正午时分赤道附近的最高气温可能超过零摄氏度；在经历了极度冰冷的夜晚后，日出时的温度可能达-60摄氏度，极地地区的气温自然还要更低。然而在许多方面，所有这些估算似乎与众多观测到的有关火星环境变化的结果相矛盾。在有新的信息被披露之前，我们得承认，关于火星气候学我们依旧不得不采取观望态度。
尽管如此，在火星寒冷的白天与冰冷的夜晚之间，天空从明亮转到黑暗的速度非常快，因为低密度的大气层不利于产生明显的黄昏。一旦日落，夜幕便极快地降临，而星辰则熠熠生辉，因为它们在火星上空亮度被削弱得较少，不会像在地球上空那样被大气吸收光芒。在这些星球之中，有两颗行星争奇斗艳：地球和木星。在火星的夜晚或晨曦时分都能看到天空中壮美的地球，类似于我们在地球上看到迷人的金星。有人试图把地球形容成火星上的牧羊人之星，因为在780天左右的时间内，火星上空的地球类似我们在地球上看到的金星，会连续呈现出一整套完整的相位，地球周围还伴有时而走到地球前，时而转到地球后的月球，月球也同时呈现出相应的相位。当然，像这样的景观，以及地球和月球不时会像黑色斑点一样投射在日面上的现象，只能借助望远镜才能观测到。
人们可能会从火星上看到地球和月球从太阳前面经过。
更惊奇的画面还是火卫在火星上空的轨迹。火星的这两颗卫星完全就像我们的月亮，但它们在火星上空呈现的尺寸极小：福波斯的视直径不超过我们在地球上看到的月亮大小的1/4，而得摩斯大约是1/10大小的月亮。且由于它们离主星过近，在不同视角下它们的星面大小也在改变：福波斯出现在天顶位置时，它的大小是在地平线上看到的两倍；得摩斯最大和最小的面积之间差3倍。这两个天体由于尺寸太小，驱散火星表面黑暗的能力十分有限；而且除了过小，火卫接收并反射的阳光没有月球多，因而其亮度也不及月亮。这两颗卫星的大小变化结合其不同相位，使它们会在某些时刻更加耀眼。我们回想一下新月相时月亮发出的灰白色微光——月盘剩余部分被来自地球反射的太阳光照亮。这一现象在火星上看会更加明显，因为更加靠近的距离使它的卫星尤其是火卫一在火星上空就像一面硕大的反光镜；又由于这两颗卫星本身的颜色，显眼的灰光会泛出迷人的橘色调。
用望远镜从火星上观察地球和月球。左图中月亮从地球前经过，右图中月亮转到了地球背后。
Phobos：火卫一“福波斯”；Deimos：火卫二“得摩斯”在地球上空看到的月亮与在火星上空看到的卫星之间的大小对比
这些迷人又精致的天象因为迅速的变换而显得更加奇特。事实上，由于这两颗卫星绕主星运动的速度较快，因此不像我们的卫星那样需要一天一夜才能呈现下一个月相，火卫每隔几个小时就能变换样貌。尤其是福波斯，它在太阳系中的运动就目前来说是独一无二的，它绕火星公转的速度比火星自转的速度还要快，似乎没有被天空的视运动所牵引（自转运动补偿），而是朝与其他星体相反的方向运行，比如我们看到，别的星体从东边的地平线上升起，而福波斯却在东边落下且消失得极快。“极快”一词并不夸张，因为对火星赤道上的某个点来说，从火卫一出现在西边的地平线上到它沉入东边的地平线，中间平均只隔了4小时15分钟。在火卫一快速行进的过程中，其视直径也在发生改变，结合它在轨道上相对于太阳所处的位置，火卫一会经历一套完整的相位。也就是说，有时火卫一升起时会呈新月状，然后渐满再渐亏，直至它结束行程东落；或者它先在西边显现1/4个圆盘，运行到天空正中时呈满月状，再减小到后1/4个圆盘，随着东落星面越来越小。如果要举出火卫一所有位置及其相对应的相位，同时细致分析成因，那么我们就太过偏离正题了，且上面列举的例子足以让我们构想出火卫一在火星上空呈现出的景观特点。至于火卫二，情况则完全不同，它的公转速度只比火星自转稍慢一点，因而它会在地平线上停留很长时间。和其他星球一样，火卫二也是东升西落，中间的时间间隔为60小时。根据所有这些运动的组合，火卫二每隔132小时东升，当天空转动时，火卫二相对于地平线的位置而言稍有难以觉察的改变，因而火卫二就像是在原地变换着相位。
我们还要指出的是，由于火星的这两颗卫星彼此做相反的运动，因而它们经常会擦肩而过，火卫一会部分或完全遮住火卫二。同样地，这两颗卫星在火星阴影中发生偏食或全食的频率非常高，尤其是福波斯。火星上也会发生日食现象，此处的日食指的是这两颗卫星会像小黑圆点从日面前方经过。每个火星年内由火卫一导致的日食约有1400次，由火卫二导致的约130次。火星上的日食现象除了发生频率高，每次的速度还非常快：火卫一导致的日食只持续19秒，火卫二导致的日食能持续108秒。两颗卫星同时食日的现象的确会发生，但极为罕见，这两个做超高速运动的黑色圆点在日面上形成了或互相分离或互相连结的奇观。
假设在望远镜中看到的火卫二被火卫一偏食的现象
由于火星卫星而产生的迅速的日偏食现象。每一幅图之间间隔10秒。
火卫散发的微弱亮光以及上述迷人而有趣的天象，在火星的大部分地区可见，鉴于火星的尺寸和它与卫星的距离，火卫在某些视角下会被完全遮住，对极地周围的某些区域来说，就从来看不到这两颗卫星从地平线上升起。从南北纬67度30的地区开始便看不到火卫一，从南北纬82度30开始火卫二就被永远埋在了地平线下面。
我们现在离开火星表面，去到它的两颗卫星上看一下这颗主星的样貌。鉴于火星的外观和尺寸，火卫上看到的火星必然宏伟且壮丽，我们在上文中就通过火星反射的光芒埋下了伏笔。
从火卫上看火星的运行类似从月球上看地球的运转。在两颗火卫上都能看到主星相位接替的全过程，其与从火星上看的火卫相位接替同步，但最让人震惊的还属火星圆盘的庞大尺寸：从福波斯上看到的火星张角为42度，也就是说，如果火星在火卫一空中下缘接触地平线，那么它的上缘便介于地平线和天顶的正中间。这比我们在地球上看到的月亮还要大80倍！从得摩斯上看到的火星尺寸没有从福波斯上看到的那么硕大，但还是达到了16度的张角，也就是月球视直径的32倍。
如此近的距离使得这颗星球在火卫上空呈现出的样貌十分鲜明，甚至可以就此还原出它的球体，但在火卫上是看不到火星的极地地区的，因为正如我们前文所述，在火星的极地地区也见不到它的卫星。
此外，由于福波斯的平移运动与火星自转运动的结合，从福波斯上看到的火星自转周期似乎只有11小时6分钟，并且与火星真正的前进方向相反——就像一辆车与另一辆比它速度更快的车朝同一方向行驶时，对超过慢车的快车来说，慢车就像在倒退。相反，从得摩斯上望去，火星自转的速度看上去变慢了，需要132小时才能连续看到火星上的所有点。
可见，火星世界以它独有的特点和奇观，成为我们星际之旅中最有趣的站点之一，我们在火星这一站逗留了不少时间。似乎一眼望去我们就能得到非常丰富的火星细节，毕竟这颗星球如此靠近我们，为我们的研究呈现出最为完整的自己，因而我们对火星的认知要比对其他任何行星的认知都要更加深入、确定。
以上的所有数据可能会引发好奇的人类无数大胆的猜想。确实，火星世界允许我们进入迷人的想象空间，但是我们之所以认为应当谨慎地持保留态度，是因为这是科学的严谨性所要求的，且现代研究成果越来越精确，也越来越大地改变了我们对这颗类地行星的固有观念……