火星表面顏色

由於大氣層中懸浮着鐵鏽塵埃，從遠處看，火星表面呈現微紅色^[1]。但近距觀察，它看起來更像奶糖色^[1]，根據具體礦物質的不同^[1]，其他常見的表面顏色還包括金、棕、棕褐和綠色等。

被旅居者號漫遊車分析過的瑜伽石（1997年7月4日）

火星表面明顯的顏色使人類能夠在早期就將它與其他行星區別開來，並啟發人們編織出了許多與火星有關的戰爭寓言。它最早被記錄的名字之一，哈爾·德謝爾（Har decher），在埃及語中的字面意思為「紅色的」^[2]。它的顏色在印度占星術中也與不祥有關，因為它被命名為安迦羅迦（Angaraka）和洛希坦加（Lohitanga），這兩個名字都反映了肉眼所看到火星特有的紅色^[2]。現代太空探測器已表明，火星在陽光照射下，不僅其表面，而且可能連上方的天空都呈現紅色。

紅色的原因及其普遍性

現代觀測表明火星的紅色實際較為稀薄，看上去偏紅的原因主要是瀰漫全球的塵埃層（顆粒直徑通常在3微米到45微米^[3][4]），厚度通常為毫米級左右。這種紅色塵埃即使是在最厚的地方，如塔爾西斯地區，其厚度可能也不超過2米（7英尺）^[5]。因此，淡紅色塵埃本質上只是火星表面一層極薄的覆蓋層，並不代表火星地表主體部分。

好奇號漫遊車穿越「野狗峽」沙丘後看到的火星土壤和巨石（2014年2月9日； 原色 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館））。

火星塵埃所呈現的紅色，主要是由於納米鐵氧化物（npOx）的光譜特性所致，這種特性往往在可見光譜中佔主導地位。具體的納米鐵氧化礦物尚未完全限定，但納米結晶的赤色赤鐵礦（α-Fe₂O₃）可能是體積上佔主導地位的礦物^[6]，至少在火星快車號光學與紅外礦物光譜儀（OMEGA）等採樣深度小於100微米的紅外遙感器下^[7]。塵埃中其餘的鐵所佔質量近達50%，可能為富鈦磁鐵礦（Fe₃O₄）^[8]。磁鐵礦通常是黑色的，帶有黑色條紋^[9]，並不會使塵埃呈現淡紅色。

塵埃中氯和硫的質量分數高於（勇氣號和機遇號火星漫遊車）在古瑟夫撞擊坑和子午線高原土壤中的發現，塵埃中的硫也與納米鐵氧化物呈正相關^[10]，這表明滷水薄膜（由大氣水分子形成的霜凍促成）產生的極有限化學蝕變可能會產生一些納米鐵氧化物^[10]。此外，對大氣塵埃的遙感觀測（顯示出與地表的塵埃成分和粒度略有差異）表明，塵埃顆粒主要由斜長石和沸石以及少量輝石和橄欖石組成^[11]。這種細粒物質很容易通過富長石玄武岩的機械侵蝕產生，比如火星南部高地的岩石^[11]。總的來說，這些觀察結果表明水活動對塵埃的任何化學變化的影響都非常微小。

塵埃中存在的納米相鐵氧化物

有數種作用過程可在不涉及游離氧（O₂）的情況下產生納米相鐵氧化產物，其中一種或多種作用過程可能在火星上佔主導地位，因為地質史跨度上的大氣模擬表明，游離氧（主要通過水的光解生成）^[12]，可能一直是一種分壓不超過0.1微帕（μPa）的微量組分^[13]。

1997年7月4日，火星探路者號拍攝的佈滿岩石的表面。

一種不依賴氧的作用通過亞鐵（Fe²⁺）（通常存在於典型的火成岩礦物中）或金屬鐵（Fe）與水（H₂O）的直接化學反應生成三價鐵（Fe³⁺(aq)），在實驗條件下通常會產生針鐵礦（FeO•OH）^[12]等氫氧化物^[14]，雖然熱力學並不支持這種與水的反應，但由於分子氫（H₂）副產物的快速損失而能得以持續下去^[13]。溶解的二氧化碳（CO₂）和二氧化硫（SO₂）可進一步促進反應，這會降低滷水膜的pH值，從而提升更具氧化性的氫離子（H⁺）濃度^[14]。

然而，通常需要更高的溫度才能將含氧的Fe³⁺氫氧化物如針鐵礦（約攝氏300度）分解成赤鐵礦。在茂納凱亞火山上段坡體上形成的橙玄玻質火山碎屑可能反映了這種過程，這與橙玄玻質火山碎屑和火星塵埃之間有趣的光譜和相似的磁性相一致^[15]。儘管需要這種動力學條件，但考慮到針鐵礦的熱力學穩定性，火星上長期乾旱和低pH的條件（如白天的滷水膜）可能會導致針鐵礦最終轉化為赤鐵礦^[14]。

鐵和亞鐵離子（Fe²⁺）也可能被過氧化氫（H₂O₂）的活性氧化，儘管火星大氣中的過氧化氫含量非常低^[13]，但它在時間上是持久的，是一種比水分子強得多的氧化劑。實驗觀察到過氧化氫驅動氧化生成了三價鐵離子（通常為水合礦物）^[14]。此外，α-Fe₂O₃，而非水合三價鐵離子（Fe³⁺）礦物光譜特徵的普遍性，增強了即使沒有熱力學上不支持的中間體，如針鐵礦，也可能形成納米鐵氧化物的可能性^[6]。

還有證據表明，在侵蝕過程中，磁鐵礦可能會形成赤鐵礦。丹麥奧胡斯大學火星模擬實驗室 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）的實驗表明，當磁鐵礦粉末、石英砂和石英粉塵顆粒的混合物在燒瓶中翻滾時，一些磁鐵礦會轉化為赤鐵礦，將樣本染成紅色。對這種效應的解釋是，當石英因研磨而斷裂時，某些化學鍵會在新暴露的表面處斷裂；當這些表面與磁鐵礦接觸時，氧原子可能從石英表面轉移到磁鐵礦，形成赤鐵礦^[16]。

火星紅色的天空

來自火星探路者和火星探測車任務的近似真彩原位圖像表明，火星天空在人類看來可能也呈紅色。塵埃顆粒對0.4-0.6微米範圍內陽光的吸收可能是天空發紅的主要原因^[17]。另一種作用可能來自塵埃顆粒在波長約3微米^[4]近紅外範圍內的光子散射，超過了氣體分子的瑞利散射^[18]。