【千问百科解读】

当我们从太空向外看地球时，我们看到了无数不同的颜色。

天空本身是蓝色的，因为大气层优先向各个方向散射波长较短的蓝光，使我们的大气层呈现出特有的颜色。

海洋本身是蓝色的，因为水分子比蓝光更善于吸收波长更长的红光。

与此同时，大陆看起来是棕色或者绿色，而冰盖和云层总是看起来是白色的。

但在火星上，有一种颜色占主导地位：红色。

到处都是红色。

低地是红色的；高地是红色的；干涸的河床是红色的；沙丘是红色的；全是红色的。

大气层本身也是红色的，在我们能测量到的每一个位置。

唯一的例外似乎是冰盖和云层，它们是白色的，尽管从地球上观察到的是略带红色的色调。

然而，令人惊讶的是，火星的“红色”是令人难以置信的浅；如果你只挖出表面下最微小的一点，红色就会消失。

以下是红色星球变得如此红色背后的科学故事。

火星以及它稀薄的大气层，这是20世纪70年代从海盗号轨道器上拍摄的。

璀璨的红色大气层是由于大气中存在火星尘埃，火星岩石的成分最早是由维京登陆者发现的。

从太空上看，火星的红色外观是不可否认的。

尽管有各种各样语言的古代记载，火星的红色一直是它最显著的特征。

随着我们进入太空时代，区分地表和大气的照片清楚地表明，火星上空的空气本身就是红色的。

在地球大气层中，瑞利散射占主导地位，向四面八方投射蓝光，而红光相对不受干扰地传播。

然而，火星大气层的厚度只有地球的0.7%，这使得火星大气层中气体分子的瑞利散射效应可以忽视不计。

相反，火星大气中的尘埃粒子可能以两种方式占主导地位：

短光波长400-600 nm的吸收大于长波长600 nm的吸收，

更大的尘埃颗粒~3微米或更大比大气气体颗粒更有效地散射瑞利散射的短波长光。

与地球表面接收到的辐照度相比，火星表面接收到的光在更短更蓝的波长内受到严重抑制。

这与悬浮在火星大气中的小赤铁矿尘埃颗粒是一致的，不透明度随着尘埃密度的增加而增加。

如果你仔细观察火星上悬浮的大气尘埃，然后问“它是什么样子的”，答案是令人难以置信的信息量。

仅仅从它的光谱特性--或者说“它如何影响光线”--我们就可以看出，这些尘埃与火星上的区域非常相似：

反射率很高，

代表着璀璨的土壤沉积物，

并且富含铁：即含有大量的三氧化二铁。

当我们仔细观察尘埃，特别是欧空局火星快车任务上的欧米茄仪器时，我们发现最常见的尘埃类型来自纳米晶体红色赤铁矿，其化学式为α-Fe2O3。

构成这种赤铁矿的颗粒很小：直径在3到45微米之间。

这就是正确的大小和成分，这样火星上的快速风，通常以接近100公里/小时的速度吹动，不断地将大量尘埃卷到大气中，在那里它保持着相当好的混合，即使在没有沙尘暴的情况下也是如此。

机遇拍摄的同一张全景合成图像，显示了两种不同的颜色分配。

顶部的图像是“真彩色”的，就像人眼看到火星一样，而底部的图像是假彩色的--增强了颜色对照度。

然而，当我们观察火星表面本身时，故事就变得有趣得多。

自从我们开始详细检查火星表面--首先是轨道任务，后来是着陆器和漫游车--我们注意到表面特征会随着时间的推移而变化。

特别是，我们会注意到有较暗的区域和较亮的区域，并且深色区域会以特定的模式演化：

他们一开始就是黑暗的，

它们会被我们怀疑来自较亮区域的尘埃覆盖，

然后他们会再次回到黑暗中。

在很长一段时间里，我们都不知道为何，直到我们开始注意到变化的黑暗区域都有一些共同之处，特别是与没有变化的黑暗区域相比。

特别是，随着时间的推移而变化的黑暗区域具有相对较低的海拔和较小的坡度，并被较亮的区域包围。

相比之下，海拔更高、坡度更陡、非常大的黑暗区域并没有随着时间的推移而发生这种变化。

在火星上，裸露的岩石结构比沙子状结构能更好地保持热量，这意味着当在红外线下观察时，它们在夜晚会显得更璀璨。

可以看到各种各样的岩石类型和颜色，因为尘埃附着在一些表面上的效果要比其他表面好得多。

从近距离观察，很明显火星并不是一个统一的行星。

答案是：火星上覆盖着一层薄薄的沙尘，这层沙尘是由火星表面的风吹来的。

这些沙子会从一个地区吹到另一个地区，但对那些灰尘来说最容易：短途旅行，从较高的海拔到较低的海拔或到可比的海拔，而不是高得多的海拔，与坡度较浅的地区相反，坡度较陡的地区会被风吹走。

换句话说，主宰火星调色板的红色尘埃只是肤浅的。

在这种情况下，这甚至不是一个诗意的措辞：火星的大部分都被一层只有几毫米厚的尘埃覆盖着！

即使是在尘土最厚的地区-被称为塔西山Tharsis的大高原，由三座非常大的火山组成，恰好与奥林匹斯山脉位于高原西北部相距不远-据估计，它的厚度也只有2米。

火星轨道器激光高度计MOLA绘制了火星西半球的彩色地形图，显示了塔西斯和水手谷地区。

撞击盆地Argyre在右下方，低地Chryse Planitia在Tharsis地区的右侧东部。

那么，你可能会看到这些事实，然后想知道：我们有火星地形图和火星上铁氧化物的地图吗？这些地图之间是否存在某种程度的关联？

这是一个聪慧的想法，我们很快就会看到这个想法，但“氧化铁”并不一定像你想的那样意味着“红色火星尘埃”。

首先，三氧化二铁在地球上无处不在：

在地壳内，

在熔岩流出中发现，

在火星尘埃中，由于与大气发生反应而被氧化。

考虑到即使在今天，大气中仍含有大量的二氧化碳和水，所以有一个现成的氧气来源，可以将任何富含铁的物质氧化到表面：它与大气接触的地方。

因此，当我们看一张火星氧化铁地图-同样是由欧空局火星快车上令人难以置信的欧米茄仪器制作的-我们发现，是的，氧化铁无处不在，但丰度在北纬和中纬度最高，在南纬最低。

这张地图由欧空局火星快车上的欧米茄仪器绘制，描绘了氧化铁一种铁的矿物相在火星表面的分布情况。

三氧化二铁一种铁的氧化物在地球上无处不在：在块状地壳内，熔岩流出，以及与火星大气发生化学反应而氧化的尘埃。

蓝色代表氧化铁的丰度较低；红色代表氧化铁的丰度较高。

另一方面，火星的地形显示，这颗红色星球的海拔在其表面以一种有趣的方式变化，而且这种变化只与氧化铁的丰度有部分关系。

重要是南半球的海拔比北半球的低地高得多。

最高海拔出现在富含氧化铁的Tharsis地区，但在其以东的低地，氧化铁的丰度直线下降。

你必须意识到的是，红色赤铁矿形式的氧化铁，可能是火星“发红”的罪魁祸首，并不是氧化铁的唯一形式。

还有磁铁矿：Fe3O4，颜色是黑色而不是红色。

尽管火星的全球地形似乎对氧化铁的丰度起到了作用，但它显然不是唯一起作用的因素，甚至可能不是决定火星颜色的重要因素。

火星轨道激光高度计MOLA仪器是火星全球勘测者的一部分，在构建这张火星地形图的过程中收集了超过2亿次激光高度计测量。

位于中央偏左的Tharsis地区是海拔最高的地区，而低地则显示为蓝色。

请注意，与南半球相比，北半球的海拔要低得多。

我们认为正在发生的--这是多年来一直一致的景象--是一组璀璨的、全球分布的、全球均匀的尘埃，它们被席卷到大气中，并留在那里。

这些尘埃基本上悬浮在火星稀薄的大气中，虽然像沙尘暴这样的事件会增加浓度，但它永远不会降到可以忽视不计的低值。

火星的大气层总是富含这种尘埃；尘埃提供了大气层的颜色；但火星表面的颜色特征一点也不均匀。

“大气尘埃沉降”只是决定火星不同区域表面颜色的因素之一。

这是我们从着陆器和月球车上学到的很好的东西：火星根本不是统一的红色。

事实上，表面整体上更像是奶油糖的橙色，表面上的各种岩石物体和沉积物似乎有各种各样的颜色：棕色、金色、棕褐色，甚至是绿色或黄色，这取决于这些沉积物的矿物组成。

这张照片由火星探路者号的“旅居者”号探测器拍摄，显示了多种颜色。

由于火星上的赤铁矿，火星车的车轮呈红色；被搅动的土壤下面要深得多。

可以看到各种固有颜色的岩石，也可以清楚地看到阳光的角度所起的作用。

一个仍在研究中的问题是这些红色赤铁矿颗粒形成的确切机制。

虽然有很多想法涉及分子氧，，但它只存在于水的光解过程中极微量的物质中。

涉及水或高温的反应是可能的，但在热力学上是不利的。

两种可能性是与过氧化氢H2O2有关的反应，过氧化氢是火星上自然发生的低丰度的反应，但它是一种非常强的氧化剂。

事实上，我们看到了大量的α-Fe2O3，但没有水合的铁矿物，这可能是这一途径的一个迹象。

或者，我们可能只是从一个纯粹的物理过程中得到赤铁矿：侵蚀。

如果你把磁铁矿粉末、石英砂和石英粉混合在一起，然后把它放在烧瓶里翻滚，一些磁铁矿就会变成赤铁矿。

特别值得一提的是，当石英碎裂时，一种“黑色”混合物以磁铁矿为主将呈现红色，暴露出附着在断裂的磁铁矿键上的氧原子，形成赤铁矿。

也许“水是三氧化二铁的罪魁祸首”的说法终究是在转移视线。

2018年沙尘暴的开始，导致美国国家航空航天局的机遇号火星车消亡。

即使从这张粗略的地图上看，很明显尘埃是红色的，随着更大比例的尘埃悬浮在火星大气中，尘埃严重变红了。

因此，总而言之，火星之所以是红色的，是因为赤铁矿，它是氧化铁的一种红色形式。

虽然在许多地方都发现了三氧化二铁，但只有赤铁矿才是造成红色的重要真相，而悬浮在大气中并覆盖在火星表面顶部几毫米到几米的微小尘埃颗粒完全是我们看到的红色的真相。

如果我们能以某种方式在很长一段时间内使大气平静下来，让火星尘埃沉淀下来，你可能会认为瑞利散射会像在地球上一样占主导地位，把天空变成蓝色。

然而，这只是部分正确的；因为火星的大气层是如此稀薄，天空会显得非常黑暗：几乎完全是黑色的，带有轻微的蓝色色彩。

如果你能成功地挡住来自行星表面的亮度，即使在白天，你也很可能能看到一些太阳和多达六颗行星-水星、金星、地球、木星、土星，有时还有天王星。

火星可能是红色的行星，但实际上只有很少一部分是红色的。

对我们来说幸运的是，红色部分是火星表面的最外层，弥漫在火星大气层中，这解释了我们实际感受到的颜色。

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