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这颗行星绕轴自转一周约需比我们的一天略长一点（２４小时３７分）。
这自转周期比任何其他行星（地球除外）的都算得更为精确。二百多年来火星都恪守这一周期自转，我们也还没有理由假定将来会有可见的变动。这时间跟我们的一日这样相近，其相差又只是多出３７分钟，结果便是在连续的夜里的同一小时内，火星差不多是以同一面对着地球的。可是毕竟因为多出了一点，每天夜间要见它较前落后一点，因此在４０日后我们已见到它全面各部对着地球了。
所有已知的火星表面情形都可在一幅图中表明——其明暗区域以及平常总可看见的包着它两极的白冠。当一极偏向我们因此也偏向太阳时，这白冠就逐渐减小，远离太阳时又加大。加大的情形是地上看不见的，但当它再现时却可看出比原先大了。火星北极冠直径１ ０００千米至２ ０００千米，厚度为４千米至６千米，扩展至北纬７５度附近。各种已经发射的火星探测器发回的图像资料表明：火星上季节性的极冠是由大气中的二氧化碳凝结而成，而长年存在的极冠主要是由水冷凝而成，温度在－７０℃到－１３９℃之间，由于二氧化碳随温度的变化而不断地气化和凝结，使得极冠的大小不断变化。极冠的大小随火星季节的变化而变化，在火星的冬季包围其极区，而夏季就全部或部分消融。
火星的运河
在１８７７年斯克亚巴列里发现了所谓“运河”。这是一些在这颗行星上纵横参差、比表面一般情形略微黑暗一点的条纹。在人类翻译史上，由于翻译失误而引起的误会恐怕以这次最甚了。斯克亚巴列里把这些条纹叫做ｃａｎａｌｅ，这个单词在意大利文中的意思是水道——他这样称呼它们是因为当时认为火星表面上的黑暗区域都是海洋，这些连结海洋的路线就假定都有水，因而定名为水道。可是译成英文中的ｃａｎｃｅｌ之后，就有了“运河”的意思。这一小小的词义上的变动，让所有使用英语的人都以为这些就是火星居民的功绩——正像地上的运河是人类的工作成绩一样了。
关于这些“水道”，起初在天文学权威之间也有一些不同的意见。这是因为在地球上看起来，它们并不是平均一致的表面上的清晰的条纹。火星上各处都有些明暗的不同——又都那么微弱而不清楚，从这一块到那一块之间又只有几乎不可察觉的亮度差异，因此大都很难给它们划出一定的轮廓。把它们分辨出来已是极端的困难，在不同的光下，在我们大气不同的情形中，它们又都改变形貌，于是给它们画出的画就都大不相同了。在罗尼尔天文台（Ｌｏｗｅｌｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ）的观测者所绘的图中，这些运河是细黑线，而且多得织成一面包住火星表面大部分的网。在斯克亚巴列里的图中，它们倒像是黯弱的宽阔地带，既不像罗尼尔天文台画的那样清楚，也不那样繁多。在这图中还有一点很有趣——在水道相交的地方都有圆点，好像圆形的湖一样。
火星上一个能很清楚地看出的特色是一块大而黑的近乎圆形的斑点，斑点的周围则是白色的。这个大斑点被称为“太阳湖”（ｓｏｌｉｓ ｌａｃｕｓ）。这是所有观测者都同意的。他们也还大致同意于从这湖分出的一些条纹或水道。但我们更进一步就要发觉他们并不完全同意于这些水道的数目以及周围的情形了。另一特色则是一块三角形的黑斑“大席尔蒂斯”（Ｓｙｒｔｉｓ ｍａｊｏｒ），这是著名的物理学家惠更斯第一个画出的。
关于火星上“运河”的存在早已无疑义了。它们已经过许多天文学家的观测，并且有过很成功的摄影。大概说来，它们也许比早期观测者所见要宽阔些，更不规则也更不精美一些。我们认为这些“运河”是火星上自然的（非人工的）景物。火星上曾有过洪水，这些河道十分清楚地证明了许多地方曾受到侵蚀。在过去，火星表面显然存在过水，甚至可能有过大湖和海洋。但是这些东西看来只存在很短的时间，而且据估计距今也有大约４０亿年了。
火星的表面于是就有极有趣而又多变化的种种相貌了。在所有行星中（除了地球），它的表面是最适于望远镜观测的。它呈现一片带红色的背景，使人想到荒漠的原野。在这背景上我们看到一些蓝绿色大块——这是起先叫做“海”的，这名字一直延留到现在，正像月亮上的海一样，虽然这两种海现在都无人认为它是有水的地方。连接这些海的是一些较狭的暗纹，就是“运河”，这旧有的名字也随着海一同延续下来。
火星的四季
早期的观测认为火星极冠区主要被冰雪覆盖，但是最近的观测认为，火星的大气比我们的要稀薄得多，那层薄薄的大气主要是由二氧化碳（９５．３％）加上氮气（２．７％）、氩气（１．６％）和微量的氧气（０．１５％）和水汽（０．０３％）组成的。最细心的观测告诉我们：火星大气中的云很少会遮蔽上面的景物。因为只有在大气中水汽凝结时才会下雪的，所以火星的极区中不大可能下那么大的雪。即使能在火星极区中下雪并且化去的雪量很少，积雪大概也只有几厘米深。
火星表面的平均大气压强仅为大约７００帕斯卡（比地球上的１％还小），但它随着高度的变化而变化，在盆地的最深处可高达９００帕斯卡，而在奥林匹斯山的顶端却只有１００帕斯卡。但是它也足以支持偶尔席卷火星数十天之久的飓风和大风暴。火星那层薄薄的大气层虽然也能制造温室效应，但也只能提高其表面温度５℃，比我们所知道的金星和地球的表面温度少得多。
１９７６年，“海盗”号探测器接近火星，它发现火星的两极覆盖的物质主要是干冰，而不是积雪，因此否定了火星表面存在水的猜想（科学家们现在相信，干冰层的下面可能有冰水层）。那么，火星的四季是怎么形成的呢？当火星的一半球上春季渐过的时候，白色的极冠就逐渐减缩，这一半球的黑暗地方就更显明、绿色更重。当夏季渐过而极冠完全或差不多完全化去时，这些黑暗地方就很显然地衰落而变成褐色。关于这种季候变迁的早期看法是说由于植物造成的——在火星春季植物开始茂盛，而秋季来临就又死去。当然这种说法已被证明是错误的。火星上看似季候变迁的现象根本不是植物的表现。那究竟是什么原因呢？
科学家们开始把注意力集中到火星表面的土壤上。或许火星表层土壤是由粉红色的类似长石的矿物构成的，或许是由一种地球上所没有的矿物所构成的？有人推测，火星表层土壤是由一种性质类似塑料的低价碳氧化物所构成。美国普林斯顿大学的地质学家迪特？哈格雷夫斯认为火星的表层土壤是由绿高岭石构成。千百万年前火星上的火成岩与火星上一度存在的山相互作用，形成了一层绿高岭石外壳。当时不断有大量陨石穿过薄薄的二氧化碳大气层落在火星表面，陨石落下时的巨大冲击产生了足够的热量，使火星表面某些区域的绿高岭石转变为红色的磁性矿物；而随后落下的陨石又将这些红色的磁性矿物击碎为细小的红色尘土，随风四散，分布到整个火星表面，从而使火星呈红色的外观。
火星的卫星
火星的两颗卫星是１８７７年霍尔（Ｈａｌｌ）在海军天文台发现的。以前的观测未曾见到它们，是因为这两颗卫星异常的渺小。大概从没有人想到过卫星会那样小，因此也没有人费神用大望远镜去细心寻觅。可是发现以后它们却绝不是难以看见的东西了。当然对它们观测的难易程度是要依靠火星在轨道中的位置以及相对我们地球的方位所决定的。在火星接近冲位的时候，有三四个月甚至６个月（依情形而定）的时间可以观测它们。在近日点附近的冲时，甚至可以用直径不到３０厘米的望远镜看见它们。究竟看出多么小，是要依观测者的技术和从眼中消去火星光的努力而定的。大致说来，一架直径３０厘米至４５厘米的望远镜是必需的。看它们的困难完全因火星的光辉而起。如果能将这光辉除去，从更小得多的望远镜中也无疑是可以看见的了。因为这种光辉的缘故，外层的一颗较容易看见——虽然内层的那颗更为明亮。
霍尔把外层的卫星叫做“火卫二”（Ｄｅｉｍｏｓ），内层那颗叫做“火卫一”（Ｐｈｏ－ｂｏｓ），这两个都是古神话中战神（Ｍａｒｓ）的侍从。火卫一有一特点：它与火星之间的距离是太阳系中所有的卫星与其主星的距离中最短的，从火星表面算起只有 ６ ０００千米，它绕这颗行星旋转一周只用７小时３９分，这比火星绕轴自转一次的时间的三分之一还少。因此，在火星上看来，最近的“月亮”出于西方而没于东方。
火卫二的公转期间是３０小时１８分。这种迅速运动的结果便是在它一起一落之间要过去差不多两天。
火卫一离火星表面只有６ ０００千米。如果我们未来的火星移民中有业余天文学家，那这一定是他们最有兴趣的对象。
在大小方面说来，这两位是我们在太阳系中看得见的最小的东西了（除了也许还有更黯弱的小行星）。光度的推测告诉我们火卫二的直径是８千米，火卫一的直径是１６千米。我们所见的它们的大小和从纽约望波士顿空中悬的一枚苹果差不多了。
这两颗卫星的最大的用处是使天文学家能够借以研究出火星的准确的质量。这是证明了只有地球质量的九分之一。这是怎样得来的，我们将在后面论及行星质量的那一章中叙述。
小行星群
太阳系中火星木星轨道间有一个巨大的空隙，在行星距离都已准确测定后，当然要引起天文学家的注意了。当波德发表他的定律时，这就成了惹人注意的事件。是真的原有这空隙，还是因为填补这空隙的行星渺小得未被我们注意到呢？
这问题由意大利天文学家皮亚齐（Ｐｉａｚｚｉ）解决了。他有一座小天文台在西西里（Ｓｉｃｉｌｙ）的巴勒莫（Ｐａｌｅｒｍｏ）。他是一个热心的天文观测者，对于他的望远镜可以确定的恒星，他制作了一个恒星位置表，在１８０１年１月１日，他为新世纪行了开幕礼，在原先空无一物的地方发现了一颗星。这颗星不久就被证明了是寻觅了好久的行星。这颗星得到了个名字叫谷神星（Ｃｅｒｅｓ）。
那时引起惊异的是，这颗行星竟然那样渺小，当知道了它的轨道以后，又发现其离心率很大。可是新的发现不久便来了。在这新行星被发现后还未完成一周公转时，不来梅（Ｂｒｅｍｅｎ）的医生奥尔伯（Ｏｌｂｅｒｓ）常利用闲暇时间作天文观测及研究，这时发现了在与前者同一天区内运转的另一行星。代替那一颗大行星的，竟然有了这两颗小行星。于是他提出意见，认为这些也许是一个行星的碎片，而假如真是这样，一定还可以发现许多。这个猜测的后半部分已经被证明是真实无疑了。在接着到来的３年中，又发现了两颗，一共是４颗小行星了。
这样过了约有４０年。１８４５年，德国观测者亨克（Ｈｅｎｃｋｅ）发现了第五颗。第二年加上了第六颗，于是开始了一连串不息的发现，一年一年增加下来，现在已经超过２万颗了。
猎取小行星
直到１８９０年这些天体的发现都是由于少数的观测者，他们用特别的注意去寻觅捕获这些小星，正如同猎者捕兽一样。他们也可以说是安置了陷阱，把黄道附近的天空小块天区的星画出图来。记得清楚了，再去守候那自投罗网的闯入者。只要出现了一个，这就是一颗小行星，于是猎者将它放进他的笼中。
约在１８９０年人们才发现摄影术是找到这些东西的更容易更有效的方法。天文学家把望远镜对准天空，开动定时装置，用较长的曝光时间（也许是半小时左右）为星摄影。真恒星一定在底片上现为小圆点，但假如碰巧行星在内，就一定会运动，它的影像就是一条短线而不是圆点了。天文学家用不着搜索天空只消搜索照片了，这工作容易得多，因为一颗行星可以从长尾巴上立刻认出。海德堡（Ｈｅｉ－ｄｅｌｂｅｒｇ）的沃尔夫（Ｍａｘ Ｗｏｌｆ）用这个方法发现了５００多颗小行星。
新近发现的小行星大半都是极黯弱的，而数目也好像随着黯弱的程度增长。平常推测有一万颗是在我们望远镜所及的范围以内。这些物体中的较大的也小得只能在平常望远镜中看成星似的点子，而它们的圆面即使用最有力的工具也不容易看出来。谷神星最大，直径有７７０千米。约有１２颗直径超出１６０千米。最小的只能由其光度粗略地推算其大小了。它们的直径大概有３２千米到４８千米光景。
小行星的轨道
有的小行星的轨道的偏心率是很大的。例如希达尔戈星（Ｈｉｄａｌｇｏ）的轨道偏心率就是０．６５，这就是说当在近日点时它离太阳比平均距离要近三分之二，在远日点时要远三分之二。它在离太阳最远的地方竟和土星差不多远了。
有的轨道的倾斜之大也是可注意的。有的超过了２０°，希达尔戈星是４３°。
那种认为这些东西也许是被一次炸裂所粉碎的行星残片的见解现已被抛弃了。那些轨道占领的边界太宽，如果这些小行星当初是一体时，不见得会这样的。依我们现代的哲学而言，这些东西从开始有时就和我们现在所见一样了。依星云假说的理论而言，所有行星的物质从前都是环绕太阳运行的云状物质的环。别的行星都是由于环中物质渐渐集中于环中最密的一点，因而成为一颗星。可是也许造成小行星的这一环不像那样集中而成了这些碎片。
依照钱伯林（Ｃｈａｍｂｅｒｌｉｎ）和莫尔顿（Ｍｏｕｌｔｏｎ）的星子假说（ｐｌａｎｅｔｅｓｉｍａｌ ｈｙ－ｐｏｔｈｅｓｉｓ），这些小行星是由于较少的比大行星小的星的碰撞而成的。因此其中就有些没有得到那近圆而偏斜的轨道，于是成功进行了许多次的碰撞。
“半成品说”理论则认为：约４６亿年前太阳系形成的早期，太阳系由一团星云凝聚成天体。凝聚过程中有一部分形成大行星，有一部分没有形成大行星，分布在火星和木星的轨道之间，所以才有了小行星带。
轨道的分群
这些小行星的轨道有一特色，可以使我们对它们的由来得到一点线索。我曾经解释过：行星轨道都近似圆形，但太阳并不在圆心。现在且假想我们从无穷的高处俯视太阳系，再假定小行星轨道都可看成精细画出的圆圈。这些圆圈就要互相交错，像织网一样，形成一个较宽的环，环外边的直径几乎比内边直径加一倍。
可是假定我们能把这些圆圈当作丝线圈拿起来，再重新布置一下使它们都以太阳为中心，却不改它们的大小。那些较大的轨道直径就差不多要比较小的加一倍，因此这些圆圈就要占据很宽的空间，如图２９所示。奇怪的是它们并不平均分布于全部占有的空间，却集合成清楚分开的几群。这也在图２９中显示着，并且又用不同的但更完全的方法在图３０中表示着。图３０的说明如下：每一行星都在一定的日期内围绕太阳公转一次，它离太阳愈远，这周期便愈长。因为轨道的全圆周是１２９．６万秒（３６０度），所以用这数目除以公转周期，得的商数就是表示那颗行星平均每日运行多少角度了。这角度就叫做该行星的“平均运动”（ｍｅａｎ ｍｏｔｉｏｎ）。小行星的平均运动约自３００秒起到１ １００秒以上，度数愈大，公转周期愈短，行星离太阳愈近。
现在我们画出一道水平线，在旁边标注度数，从３００秒到１ ２００秒，每隔１００秒画一格。在每一格中我们把所有平均运动在这以内的小行星都用小点画出来。
略微考察这幅图，我们就可以分出五群六群来。最外层的约在４００秒与４６０秒之间，离木星也愈近，公转周期也差不多要８年之久。以后是一道宽空隙，直到５６０秒，我们才又发现１０颗行星在５４０秒与５８０秒之间。从此以下，行星数愈加增多，但在７００秒、７５０秒、９００秒旁却只有很少或简直没有。好了，奇怪的事就在这一点上：这些空隙都是行星运动恰与木星成一简单关系的地方。一颗平均运动为９００秒的行星绕太阳一周的时间是木星的１／３，６００秒的是１／２，７５０秒的是２／５。依天体力学定律，凡一颗行星与其他行星有上述的简单关系的会由于互相的作用而逐渐产生大的轨�