火星（Mars）是太阳系从内向外的第四颗行星，因表面富含氧化铁而呈现橙红色，被称为"红色星球"。作为人类最关注的行星之一，火星是地球以外探索最深入的行星——既有太阳系最高峰、最大峡谷等极端地貌，又拥有远古液态水的丰富证据，使其成为寻找地外生命和人类星际殖民的首选目标。
参数
数值
与地球比较
质量
6.39 × 10 23 kg 6.39 × 1 0 23 kg 地球的 10.7%
赤道半径
3389.5 km 3389.5 km 地球的 53%
表面积
1.45 × 10 8 km 2 1.45 × 1 0 8 km 2 地球的 28%（相当于地球陆地面积）
体积
1.63 × 10 11 km 3 1.63 × 1 0 11 km 3 地球的 15%
平均密度
3.93 g/cm 3 3.93 g/cm 3 地球的 71%
表面重力
3.72 m/s 2 3.72 m/s 2 地球的 38%
自转周期
24h 37m 22.663s
略长于地球（约 40 分钟）
自转轴倾角
25.19 ∘ 25.1 9 ∘ 非常接近地球的 23.44 ∘ 23.4 4 ∘
公转周期
687.0 地球日（1.88 地球年）
约两倍于地球
轨道半长轴
2.28 × 10 8 km 2.28 × 1 0 8 km 地球的 1.52 倍
轨道偏心率
0.0934
太阳系行星中最高（除水星外）
近日点
1.381 AU（2.07 × 10 8 km 2.07 × 1 0 8 km
比远日点近 15%
远日点
1.666 AU（2.49 × 10 8 km 2.49 × 1 0 8 km
—
表面温度
平均 − 63 ∘ C − 6 3 ∘ C − 143 ∘ C − 14 3 ∘ C 35 ∘ C 3 5 ∘ C
远低于地球
大气压
0.636 kPa 0.636 kPa 地球的 0.6%
卫星
2颗（火卫一 Phobos、火卫二 Deimos）
—
行星环
无
—
火星的轨道偏心率（e = 0.0934 e = 0.0934
近日点距离 ：r peri = a ( 1 − e ) = 1.524 × ( 1 − 0.0934 ) = 1.381 AU r peri = a ( 1 − e ) = 1.524 × ( 1 − 0.0934 ) = 1.381 AU 远日点距离 ：r ap = a ( 1 + e ) = 1.524 × ( 1 + 0.0934 ) = 1.666 AU r ap = a ( 1 + e ) = 1.524 × ( 1 + 0.0934 ) = 1.666 AU
太阳辐射强度随距离平方反比变化，因此火星接收到的太阳辐照度在近日点和远日点相差约 45%：
I peri I ap = ( 1.666 1.381 ) 2 ≈ 1.45 I ap I peri = ( 1.381 1.666 ) 2 ≈ 1.45
这种显著的辐射变化直接影响火星的季节温差，尤其是南半球夏季（近日点附近）比北半球夏季热得多。
地球和火星的会合周期（从地球观测到两次冲日之间的时间）计算公式为：
1 S = 1 T ⊕ − 1 T Mars S 1 = T ⊕ 1 − T Mars 1
其中 T ⊕ = 365.25 T ⊕ = 365.25 T Mars = 687.0 T Mars = 687.0
S = T ⊕ ⋅ T Mars T Mars − T ⊕ = 365.25 × 687.0 687.0 − 365.25 ≈ 780 天 ≈ 26 个月 S = T Mars − T ⊕ T ⊕ ⋅ T Mars = 687.0 − 365.25 365.25 × 687.0 ≈ 780 天 ≈ 26 个月
因此每 26 个月左右会出现一次火星冲日，这段时间发射探测器可以显著缩短航行时间。
最佳发射窗口估算 ：以霍曼转移轨道计算，从地球到火星的转移时间约为：
t transfer = π a transfer 3 G M ⊙ t transfer = π G M ⊙ a transfer 3
其中转移轨道半长轴 a transfer = ( a ⊕ + a Mars ) / 2 = ( 1 + 1.524 ) / 2 = 1.262 AU a transfer = ( a ⊕ + a Mars ) /2 = ( 1 + 1.524 ) /2 = 1.262 AU G M ⊙ = 1.327 × 10 20 m 3 / s 2 G M ⊙ = 1.327 × 1 0 20 m 3 / s 2 t transfer ≈ 259 天 ≈ 8.5 个月 t transfer ≈ 259 天 ≈ 8.5 个月
奥林匹斯山（Olympus Mons）是一座盾形火山，其规模在整个太阳系无出其右：
参数
数值
类比
高度
21.9 km 21.9 km 珠穆朗玛峰（8.8 km）的 2.5 倍
底部直径
600 km 600 km 相当于法国面积
火山口直径
85 km 85 km 可容纳整个北京五环
火山口深度
3 km 3 km —
山坡平均坡度
约 5 ∘ 5 ∘
非常平缓
形成时期
约 30-20 亿年前
—
为什么如此巨大？ 火星没有板块运动，地壳热点固定，熔岩持续在同一位置堆积数亿年，形成了单一的巨大火山。相比之下，地球的夏威夷群岛因太平洋板块移动而形成多个小火山链。
水手号峡谷（Valles Marineris）是一个史诗级的地质构造：
参数
数值
类比
总长度
4000 km 4000 km 相当于美国东西海岸距离
最大宽度
200 km 200 km —
最大深度
7 km 7 km 科罗拉多大峡谷（1.8 km）的 4 倍
形成机制
地壳张裂（类似东非大裂谷）
—
研究显示，水手号峡谷并非由流水侵蚀形成，而是火星地壳冷却收缩时产生的张裂、侧面坍塌和风蚀共同作用的结果。但峡谷侧壁的确存在黏土矿物沉积，暗示早期可能由地下水活动参与扩大。
火星的南北极各有独特的冰盖结构：
特征
北极
南极
主要成分
水冰 + 干冰 (CO 2 CO 2
主要为水冰
冰盖厚度
2 − 3 km 2 − 3 km 约 1 − 2 km 1 − 2 km
直径
约 1000 km 1000 km
约 350 km 350 km
CO₂ 季节变化
冬季凝结厚 1 − 2 m 1 − 2 m
永久性 CO₂ 冰残留
海拔
周围平原上 3 − 4 km 3 − 4 km
周围平原上 1 − 2 km 1 − 2 km
火星的 CO 2 CO 2 CO 2 CO 2
火星最独特的地质特征是南北半球的巨大差异：
特征
北半球
南半球
海拔
低（平均低于基准面 1 − 3 km 1 − 3 km
高（平均高于基准面 1 − 3 km 1 − 3 km
地壳厚度
约 32 km 32 km
约 58 km 58 km
地貌类型
年轻、光滑的平原
古老、多陨石坑的高地
陨石坑密度
低
极高
平均年龄
约 30 亿年
约 40 亿年
这种南北不平坦性（crustal dichotomy）的形成原因仍是一个未解之谜。主要理论有：
单一超大型撞击假说 ：一个冥王星大小的天体撞击了北半球，形成了低洼盆地（类似月球南极-艾特肯盆地）板块构造早期活动假说 ：早期火星可能经历过短暂的板块活动阶段地幔对流模式假说 ：早期地幔柱的不均匀分布导致地壳厚度不均
火星的内部结构与地球显著不同：
层次
厚度/半径
成分
状态
地壳
平均 50 km 50 km 32 km 32 km 58 km 58 km
玄武岩、硅酸盐
固态
地幔
约 1500 km 1500 km
橄榄岩（硅酸铁镁）
固体（部分熔融）
核心
半径 1500 − 1800 km 1500 − 1800 km
铁-硫合金
至少部分液态
火星的核心比预期更大、密度更小。InSight 探测器的地震数据表明，核心半径约 1830 ± 40 km 1830 ± 40 km 15 − 20 % 15 − 20%
火星的全球性磁场约在 40 亿年前消失，这是火星气候变迁的关键节点。
磁场强度对比：
天体
表面磁场强度
磁场类型
地球
25 − 65 μ T 25 − 65 μ T 全球偶极场
火星（古代）
估计 5 − 20 μ T 5 − 20 μ T
全球偶极场
火星（当前）
< 0.5 μ T < 0.5 μ T 仅为地壳剩磁
水星
0.3 μ T 0.3 μ T 微弱全球场
大气剥离速率估算：
根据 MAVEN 探测器的测量，当前火星大气被太阳风剥离的速率约为：
太阳风剥离 ：约 0.5 kg/s 0.5 kg/s 离子逃逸 ：约 0.1 kg/s 0.1 kg/s 年均总损失 ：约 2 × 10 7 kg/年 2 × 1 0 7 kg/ 年
以这个速率计算，40 亿年间累计失去的大气量约为：
M lost ≈ 2 × 10 7 × 4 × 10 9 ≈ 8 × 10 16 kg M lost ≈ 2 × 1 0 7 × 4 × 1 0 9 ≈ 8 × 1 0 16 kg
这相当于地球大气质量的约 15%。加上碰撞侵蚀（大型撞击导致大气逃逸）等其他机制，足以解释火星为何从早期浓密大气变为当前的稀薄状态。
成分
体积百分比
在地球大气中的对应比例
CO 2 CO 2 95.97%
0.04%
N 2 N 2 1.93%
78.08%
Ar Ar 1.93%
0.93%
O 2 O 2 0.145%
20.95%
CO CO 0.0557%
极微量
H 2 O H 2 O 0.030%（变化）
最高 4%
NO NO 0.013%
—
火星表面气压极低（平均 636 Pa 636 Pa 35 km 35 km 611.7 Pa 611.7 Pa
典型日温度变化（赤道附近，夏季）：
时段
温度
说明
正午（14:00）
− 20 ∘ C − 2 0 ∘ C 10 ∘ C 1 0 ∘ C 最高温，偶有正值
日落
− 50 ∘ C − 5 0 ∘ C 快速冷却
午夜
− 80 ∘ C − 8 0 ∘ C − 100 ∘ C − 10 0 ∘ C 深层大气稳定
黎明前
− 100 ∘ C − 10 0 ∘ C − 120 ∘ C − 12 0 ∘ C 最低温
全球沙尘暴： 火星每隔 3-4 个地球年就会爆发一次全球性沙尘暴（南部夏季），可以在数周内覆盖整个行星。例如 2018 年全球沙尘暴导致机遇号漫游车因太阳能板被遮挡而失联。
火星的平衡温度（无大气效应的黑体温度）可以计算如下：
吸收的太阳辐射：
P absorbed = ( 1 − A ) ⋅ L ⊙ 4 π d 2 ⋅ π R 2 P absorbed = ( 1 − A ) ⋅ 4 π d 2 L ⊙ ⋅ π R 2
其中 A ≈ 0.25 A ≈ 0.25 L ⊙ = 3.828 × 10 26 W L ⊙ = 3.828 × 1 0 26 W d ≈ 2.28 × 10 11 m d ≈ 2.28 × 1 0 11 m
辐射出的能量（斯特藩-玻尔兹曼定律）：
P emitted = 4 π R 2 σ T eq 4 P emitted = 4 π R 2 σ T eq 4
令吸收等于辐射：
T eq = [ ( 1 − A ) L ⊙ 16 π σ d 2 ] 1 / 4 T eq = [ 16 π σ d 2 ( 1 − A ) L ⊙ ] 1/4
代入数值：T eq ≈ 210 K ≈ − 63 ∘ C T eq ≈ 210 K ≈ − 6 3 ∘ C + 33 ∘ C + 3 3 ∘ C
火星在约 40 亿年前的诺亚纪（Noachian period）拥有浓密大气和大量液态水，主要证据包括：
1. 河道与三角洲
火星表面有数千条已干涸的溪谷和河流网络，总长度超过 1 × 10 6 km 1 × 1 0 6 km
耶泽罗陨石坑（Jezero Crater）保存了完整的三角洲沉积结构
古湖床分布广泛，有些直径超过 200 km 200 km
2. 矿物学证据
黏土矿物 （蒙脱石、绿脱石）：只能在 > 0 ∘ C > 0 ∘ C 硫酸盐 ：在蒸发环境中形成，指示水体逐渐干涸赤铁矿 ：球状赤铁矿颗粒（"蓝莓"）需在液态水中沉淀形成
3. 沉积层状地形
水手号峡谷区域的层状沉积厚度达数公里
层理结构类似地球上的湖相沉积
类型
储量估计
分布
北极冰盖（水冰）
1.5 × 10 6 km 3 1.5 × 1 0 6 km 3 北极地区
南极冰盖（水冰）
2 × 10 6 km 3 2 × 1 0 6 km 3 南极地区
中纬度地下冰层
深度 1 − 10 m 1 − 10 m 50 − 90 % 50 − 90%
北纬 30 − 60 ∘ 30 − 6 0 ∘ 30 − 60 ∘ 30 − 6 0 ∘
高纬度浅表冰
深度 < 1 m < 1 m
北纬 > 60 ∘ > 6 0 ∘ > 60 ∘ > 6 0 ∘
大气水蒸气
极微量
稀薄大气
地下水（假设）
深度 > 10 km > 10 km
可能存在深层卤水层
一个关键的数值估算： 如果火星全部水冰均匀融化，覆盖整个表面的水深约为 30 − 100 m 30 − 100 m 3 km 3 km
2011 年以来，火星侦察轨道器（MRO）在火星中纬度斜坡上观测到暗色的季节性纹线（Recurring Slope Lineae），在温暖季节出现、寒冷季节消退。最初被广泛认为是含水卤水渗出的证据。然而 2023 年的 AMA 研究（无大量含水矿物特征）倾向于由颗粒流（干沙流）形成。目前科学界的共识是：RSL 可能主要是干过程，但不能排除少量卤水参与。
任务
年份
关键生命探测实验
结果
海盗 1/2 号
1976
标记释放实验、热解释放实验、气相色谱质谱
最初显示代谢信号，但未检测到有机物——结论为"不确定"
凤凰号
2008
湿化学实验、显微镜
发现高氯酸盐（不利生命），pH 呈碱性
好奇号
2012-至今
SAM 质谱仪、TLS
检测到有机物（噻吩、苯等），但浓度极低，需确认是否生物成因
毅力号
2021-至今
SHERLOC、PIXL
在耶泽罗三角洲取样，计划 2030 年代返回地球分析
高氯酸盐问题： 火星土壤中的高氯酸盐（ClO 4 − ClO 4 − 0.5 − 1 % 0.5 − 1% Halobacterium salinarum ）可以在高氯酸盐浓度高达 0.5 M 0.5 M
参数
火卫一（Phobos）
火卫二（Deimos）
发现时间
1877 年（霍尔）
1877 年（霍尔）
形状
不规则（27 × 22 × 18 km 27 × 22 × 18 km
不规则（15 × 12 × 10 km 15 × 12 × 10 km
等效直径
22.2 km 22.2 km 12.6 km 12.6 km
质量
1.06 × 10 16 kg 1.06 × 1 0 16 kg 1.48 × 10 15 kg 1.48 × 1 0 15 kg
轨道半径
9377 km 9377 km 23463 km 23463 km
轨道周期
7h 39min
30h 18min
自转周期
潮汐锁定
潮汐锁定
表面重力
0.0058 m/s 2 0.0058 m/s 2 0.0034 m/s 2 0.0034 m/s 2
反照率
0.071（极暗）
0.068（极暗）
火卫一的轨道正在缓慢衰减。根据潮汐相互作用模型：
d a d t = − 3 k M m ( R a ) 5 a θ ˙ 0 d t d a = − 3 k m M ( a R ) 5 a θ ˙ 0
其中 k k M M m m R R a a
当前观测到的速率约为 d a / d t ≈ − 1.8 cm/年 d a / d t ≈ − 1.8 cm/ 年
如果轨道半径衰减到约 6000 km 6000 km
预估撞毁/破裂时间 ：约 5000 万年后
届时火星将获得一个短暂的行星环（类似土星），这个环将在约 1 亿年内逐渐扩散消失。
假说
支持证据
反对证据
小行星捕获 光谱类似 C 型小行星，反照率极低
圆形轨道在赤道面上（捕获通常产生大椭圆轨道）
火星撞击形成 轨道在赤道面上
成分不同于火星地壳
多次捕获 能解释两个卫星的不同轨道
概率极低
最新的观点倾向于捕获假说 + 潮汐演变（初始轨道偏心率通过潮汐阻尼被圆化），但尚无定论。
年份
任务
国家/机构
类型
关键成果
1965
水手 4 号
NASA
飞掠
首批火星特写照片（22 张），发现陨石坑
1971
水手 9 号
NASA
轨道器
首颗火星卫星，测绘 85% 表面
1976
海盗 1/2 号
NASA
轨道器+着陆器
首次成功着陆，首次生命探测实验，气象站持续工作 3-6 年
1997
火星探路者
NASA
着陆器+漫游车
首次漫游车（旅居者号），2.3 kg 2.3 kg
2001
奥德赛号
NASA
轨道器
发现极地大量水冰，全球地质测绘
2003
火星快车
ESA
轨道器
探测大气组分，发现极地水冰
2004
勇气号
NASA
漫游车
发现古代水热环境证据，运行至 2010 年
2004
机遇号
NASA
漫游车
发现赤铁矿球粒，持续工作 14 年（最长的表面任务）
2006
火星侦察轨道器 (MRO)
NASA
轨道器
最高分辨率相机（HiRISE，0.3 m/像素），持续运行至今
2012
好奇号
NASA
漫游车
发现古湖泊环境，首次检测有机物
2013
MAVEN
NASA
轨道器
测量大气损失速率，研究气候演化
2018
InSight
NASA
着陆器
首次火星地震仪，测量内部结构
2021
天问一号
CNSA
轨道器+着陆器
中国首次，一次性完成"绕、落、巡"
2021
毅力号
NASA
漫游车
收集样本（计划返回），携带机智号直升机
2021
祝融号
CNSA
漫游车
运行约 1 年，行驶约 2 km
2021
机智号
NASA
旋翼机
首次在火星飞行（共 72 次），验证大气中旋翼飞行可行性
火星素有"探测器坟场"之称。截至 2024 年，全球共发起约 50 次火星探测尝试，仅约 50% 部分或完全成功：
时期
任务数
成功数
成功率
1960-1969
17
4
23.5%
1970-1979
6
3
50%
1980-1989
5
1
20%
1990-1999
6
4
66.7%
2000-2009
7
6
85.7%
2010-2024
10
9
90%
显著失败案例：
火星 96 号 （1996，俄罗斯）：推进器故障再入大气层深空 2 号 （1999，NASA）：着陆后失联火星极地着陆者 （1999，NASA）：降落伞部署失败斯基亚帕雷利 EDM （2016，ESA）：着陆时过早释放降落伞，撞击解体
人类尚未成功将火星样本带回地球。目前规划中的 MSR 任务（NASA-ESA 联合）如下：
毅力号采集 （2021-2030）：已采集约 30 个样本管，存放在耶泽罗三角洲和备用缓存点样本回收着陆器 （2030 年代早期）：携带 MAV（火星上升飞行器）着陆回收火星车 ：收集存放的样本管，装载至 MAV地火转移 ：样本容器从火星表面发射至火星轨道地球返回 ：轨道捕获后返回地球，预计 2030 年代中期到达
关键挑战：
样本密封的可靠性（防止地球污染和样本污染）
MAV 在火星低温环境下的推进剂稳定性
火星-地球转移的轨道交会精度
生物安全隔离设施的建造
参数
勇气号/机遇号
好奇号
毅力号
祝融号
发射时间
2003
2011
2020
2020
质量
185 kg 185 kg 899 kg 899 kg 1025 kg 1025 kg 240 kg 240 kg
尺寸
1.6 × 2.3 × 1.5 m 1.6 × 2.3 × 1.5 m 3.0 × 2.8 × 2.2 m 3.0 × 2.8 × 2.2 m 3.0 × 2.7 × 2.2 m 3.0 × 2.7 × 2.2 m 2.6 × 3.0 × 1.85 m 2.6 × 3.0 × 1.85 m
动力
太阳能板
RTG（110 W 110 W
RTG（110 W 110 W
太阳能板
最大速度
5 cm/s 5 cm/s 4 cm/s 4 cm/s 4 cm/s 4 cm/s 6 cm/s 6 cm/s
已行驶
勇气 7.7 km 7.7 km 45.2 km 45.2 km
31 + km 31 + km 24 + km 24 + km 1.9 km 1.9 km
主要仪器
全景相机、显微镜、Mössbauer 光谱仪
SAM、CheMin、APXS、ChemCam
SHERLOC、PIXL、MOXIE、SuperCam
火星表面成分探测仪、磁力计
设计寿命
90 天
1 火星年
1 火星年
90 天
好奇号的铝制轮胎因穿越尖锐岩石已被严重磨损。NASA 进行了对比测试：
轮胎类型
疲劳寿命（循环）
质量
地面压力
好奇号原装铝胎
1.6 × 10 5 1.6 × 1 0 5 1.8 kg 1.8 kg 4.7 kPa 4.7 kPa
毅力号新波形铝胎
1.0 × 10 7 1.0 × 1 0 7 2.5 kg 2.5 kg 4.9 kPa 4.9 kPa
毅力号的轮胎使用了更优化的波形设计（Grouser 胎面），大幅延长了寿命。
方案
机构
时间表
关键技术
两批时间间隔
预计花费
月球门户-火星
NASA
2030 年代末
SLS、猎户座、月球门户中转、核热推进
每 26 个月
> 1000 亿 > 1000 亿
星舰火星
SpaceX
2020 年代末（货运）→ 2030 年代初（载人）
星舰（完全可复用）、轨道加油
每 26 个月
远低于 NASA 方案
天问系列
CNSA
2030-2040
长征九号
—
未公开
1. 辐射防护
火星旅行的辐射暴露量远超近地轨道任务：
辐射源
日均剂量
对比
地球表面（背景辐射）
0.01 mSv/天 0.01 mSv/ 天 —
国际空间站
0.5 − 1 mSv/天 0.5 − 1 mSv/ 天 地球磁场保护
地火转移途中
1.8 mSv/天 1.8 mSv/ 天 无磁场保护
火星表面（未屏蔽）
0.6 mSv/天 0.6 mSv/ 天 稀薄大气提供部分屏蔽
一次 500 天的火星任务（180 天去程 + 140 天表面 + 180 天回程）的总辐射暴露估计为约 600 mSv 600 mSv 1 Sv 1 Sv
2. 生命支持系统
需求
每人每天需量
6 人 500 天的总需量
O 2 O 2 0.84 kg 0.84 kg 2520 kg 2520 kg
H 2 O H 2 O 11 kg 11 kg 33000 kg 33000 kg
食物
1.8 kg 1.8 kg 5400 kg 5400 kg
总质量（不回收）
约 13.6 kg 13.6 kg
约 41000 kg 41000 kg
41 41
水回收 ：> 95 % > 95% 氧气回收 ：通过萨巴蒂尔反应（CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O 原位资源利用 （ISRU）：火星大气 CO 2 CO 2 O 2 O 2
3. 着陆与起飞
火星大气密度仅为地球的 1 % 1%
阶段
速度
高度
时间
方法
进入大气层
5.5 − 6 km/s 5.5 − 6 km/s 120 km 120 km —
再入走廊
气动减速
5.5 → 0.5 km/s 5.5 → 0.5 km/s 120 → 10 km 120 → 10 km 约 300 s
气动阻力+升力
超音速降落伞
0.5 → 0.1 km/s 0.5 → 0.1 km/s 10 → 1 km 10 → 1 km 约 60 s
直径 21 − 30 m 21 − 30 m
动力减速
0.1 → 0 km/s 0.1 → 0 km/s 1 → 0 km 1 → 0 km 约 30 s
反推火箭（天空起重机或着陆腿）
长期设想是将火星改造成宜居星球。主要方案和所需时间：
方案
原理
所需时间
主要困难
CO 2 CO 2 加热极地干冰释放大气
数十年到数百年
当前 CO 2 CO 2 2 − 3 % 2 − 3%
超级温室气体
引入 CF 4 CF 4
数百年
CF 4 CF 4
轨道反射镜
在 L 1 L 1
数百年
制造和运输 > 100 km 2 > 100 km 2
可控核聚变
大量热能释放
数百年到千年
核聚变技术尚未商用
生物途径
基因改造微生物产生 O 2 O 2
数千年到数百万年
火星低气压、强辐射不适合复杂生命
根据 2018 年《自然》子刊的建模，即使释放火星所有已知的 CO 2 CO 2 15 hPa 15 hPa 1 / 10 1/10
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