作為２０１８年的重磅天象之一，火星將於7月２７日13時12分上演“衝日”表演，而且這次“衝日”特別之處在於這是十五年一遇的“大沖”。屆時，人們將可以徹夜欣賞到這顆明亮的紅色星球在夜空中閃耀。
2016年“火星衝日”時哈勃太空望遠鏡拍攝的火星
且慢？啥是火星？啥又是“大沖”（不是“大蔥”哦）？
下面我們就一一道來。
“火星大沖”示意圖（1990年-2005年）
太長不看版
本次“火星大沖”，是自2003年8月27日以來發生的“十五年一遇”的首次“火星大沖”，火星與地球之間的距離達到極小（5750萬千米），火星將變得又大又亮（視直徑24.31”）。
7月27日“大沖”當晚，火星的亮度可達-2.8等（星等的數字越小，天體越亮），是全天第4亮的天體（僅次於太陽、月亮和金星，超過了木星），是肉眼觀看火星的絕佳機會（日落後50分鐘左右，火星從東南方升起，幾乎徹夜可見）。
如果錯過，要等到2035年9月15日才會再次有緣看到夜空中那顆最明亮的火星了。
火星的概況
火星是位於地球的公轉軌道之外的第一顆行星，火星的英文名Mars源於西方羅馬神話中戰神瑪爾斯的名字。
羅馬神話中戰神Mars的雕像
而在中國古代，火星則被稱為“熒惑”，因為它的亮度經常變化，而且在天空上的運動軌跡時而從西向東，時而從東向西，讓人迷惑。
火星在天球上逆行軌跡的演示動畫
火星之所以看上去是橙紅色的，是因為其表面覆蓋著大量赤紅色的赤鐵礦（主要成分是三氧化二鐵）所致。
火星是一顆沙漠行星，經常發生沙塵暴，地表除了兩極存在著由水冰和乾冰為主要成分的極冠，沒有穩定的液態水存在（另外，據7月25日的最新一期《科學》雜誌稱，在火星南極的冰川下，發現了第一個液態水湖，直徑約20千米，這也是第一次發現水在火星的持續存在）。
火星上發生沙塵暴前後的對比動畫，圖左是沙塵暴前，圖右是沙塵暴時（2018年7月）
火星的直徑約為地球的一半，自轉週期與地球相近，公轉週期約是地球的兩倍，表面重力加速度只有地球的2/5左右。想減肥的朋友，去火星就對啦！一下就只有原來體重的一半不到了！
地球與火星的大小對比，圖左是地球，圖右是火星。
火星也是除地球之外最受人類關注的行星（沒有之一），因為它的環境在很多方面與地球都很相似。NASA曾做過調查，火星是外太空中大眾最想了解的領域。自從1965年7月14日“水手4號”（Mariner 4）傳回火星的第一張近景照片以來，50多年來，人類已經陸續向火星發射了40多個火星探測器。
“水手4號”傳回的第一張火星特寫照片
其中就包括“機遇號”火星車（Opportunity rover）這個最為成功的火星探測器（同樣沒有之一），這個原設計壽命只有90天的小傢伙，已經在環境惡劣的火星表面成功工作了14年，行駛里程超過一個馬拉松的距離。
“機遇號”火星車
此外，今年2月7日由SpaceX公司的重型獵鷹火箭（Heavy Falcon）發射升空的特斯拉紅色跑車也在前往火星軌道的途中，之後將前往小行星帶。
正飛向火星軌道的特斯拉跑車和搭載的Starman
這輛飛向火星的特斯拉跑車的預計飛行軌道（綠色）
火星的亮度為什麼變化那麼大？
前面有提到過，中國古代因為火星的亮度經常變化，加之其運行軌跡不定，故此稱其為“熒惑”。那麼，火星的亮度（天文學上叫“視星等”）變化到底有多大呢？實際上，火星的視星等變化範圍從1.6等到-3.0等，變化幅度達4.6個星等，而星等每相差1等，亮度就相差約2.5倍。因此，火星最亮時（也就是在“火星大沖”時）比它最暗時亮了約12倍！
平時看到的火星與“火星大沖”時看到的火星的大小比較示意圖，左邊是2018年5月的火星，右邊是2018年7月31日的火星。
與之相比較：
夜空中最亮的星——金星的視星等在-4.9等到-3.8等之間，變化只有1.1個星等；
行星之王——木星的視星等在-2.94等到-1.6等之間，變化只有1.34個星等；
因此，忽明忽暗、明暗反差如此之大（星等變幅可達4.6個星等）的火星讓古人感到迷惑就不足為奇了。
金星
木星
火星的視亮度變化很大，主要有以下原因：
1、火星與地球之間的相對距離變化大，火星與地球的距離最近時約5400萬千米，最遠時約4億千米，最遠時比最近時距離遠了7.4倍，因此亮度變化大。
相對另一顆離地球較近的行星金星，金星與地球的距離最近時約4000萬千米，最遠時約2.6億千米，兩者相差只有6.5倍。
這從行星的視直徑上也可以得到驗證：金星的視直徑在10”-66”之間（相差6.6倍），木星的視直徑在29.8”-50.1”之間（相差1.7倍），火星的視直徑在3.5”-25.1”之間（相差7.2倍）。
2、火星屬於行星，也就是自己不發射可見光的星球，我們之所以能肉眼看見它，全依賴於它對陽光的反射。
天文學上，衡量一個天體反射光線本領大小的物理量叫反照率（albedo），最常用的是球面反照率（Bond albedo），如果100%的將陽光反射出去，返照率就是1（就像鏡子一樣反射光線），如果完全把陽光吸收而不反射，反照率就是0（就像完全漆黑的大煤球）。
行星的球面反照率，地球是0.306，木星是0.343，金星是0.77，火星是0.25，由此可見，金星的反照率最高，離地球的距離也不遠，成為夜空中最明亮的星也不奇怪，而火星的反照率最低，它的視亮度更容易受和地球距離遠近的影響。
“火星大沖”為什麼是觀測火星的好機會？
“衝日”，是指行星繞日公轉運行到與太陽視黃經相差180度的位置時，即為“衝日”（Opposition）。“衝日”是外行星才會有的天象，比如“火星衝日”、“木星衝日”等，但絕不可能出現“金星衝日”或“水星衝日”。
2012年-2025年的“火星衝日”時間以及“衝日”時火星與地球的最近距離。
“火星衝日”時，火星與地球、太陽幾乎成一條直線，地球處於太陽與火星之間。火星與太陽就像在玩捉迷藏，你升起時我落下，你落下時我升起，觀測不再受日照的影響，加之火星與地球的距離達到了極小，且火星向陽的半球在“衝日”時完全朝向地球，因此衝日前後是觀測火星的好時機，幾乎可以整晚看到火星。7月27日的“火星大沖”，日落後火星會從東南方升起，在第二天日出前於西方落下。
如果地球和火星的軌道是圓的而且同在一個平面的話，那麼“衝日”時的地球與火星之間的距離將是恆定不變的，這個距離將等於它們的公轉軌道半長軸之差，約1.5億千米。
火星軌道與地球軌道存在夾角的示意圖，紅色表示火星軌道，藍色表示地球軌道。
但事實並非如此，行星繞日公轉的是橢圓軌道，並且地球和火星的軌道也不在一個平面上。由於火星的公轉軌道較扁，因此當地球在遠日點而火星在近日點附近發生衝日時，可以獲得最小的地火距離，也即所謂的“火星大沖”。
“火星大沖”時地球和火星的最小距離，從2000年1月1日12時起（J2000），前後300年內的變化值（紅色圓圈），綠色曲線表示地球軌道和火星軌道之間的最小距離。
根據地球和火星的公轉軌道根數計算，每隔26個月就會發生一次“火星衝日”（Mars Opposition），下一次的“火星衝日”將發生在2020年的10月13日。
而每15年或17年，才會發生一次位於火星近日點附近的“火星衝日”，也就是“火星大沖”，上一次的“火星大沖”發生在2003年8月27日（那次也是近6萬年來火星距地球最近的一次），如果錯過了本次，下一次的“火星大沖”則要等到2035年9月15日了，還得足足等上17年！
本次“火星大沖”與下一次“火星衝日”時看到的火星大小的比較示意圖，左邊是本次地火距離最近時，右邊是下次“火星衝日”時。
“火星大沖”，不僅僅是天文學家和天文愛好者觀測火星的絕佳機會，也是人類探索火星的最好窗口。“火星大沖”時，由於地火距離達到極小，探測火星的航天器可以在火星衝日前約3個月發射，利用霍曼轉移軌道來飛抵火星軌道，可以極大地節省燃料。實際上，迄今人類發射的火星探測器中，絕大多數都是這樣做的。
地球-火星的霍曼轉移軌道
另外還提及一點，“火星大沖”的時刻與地火距離最小的時刻稍微有個小小的差值，“火星大沖”發生在7月27日，地球最接近火星時是在7月31日（距離5760萬千米）。
“火星大沖”怎麼看？
肉眼即可觀賞15年一遇的“火星大沖”，7月27日日落之後，火星在東南方升起，直到第二天日出前才在西方落下，只要天氣晴好，整晚都可見。往東南方和南方找，一顆很亮的橙紅色的不會眨眼的星星就是它了！
午夜時，火星將在南方天空達到最高點，地平高度約35°。從7月27日至7月30日，火星都會十分明亮，適合觀賞。有條件的公眾還可藉助望遠鏡對火星進行觀測，還有可能看到火星兩極的白色極冠。
2018年7月下旬，午夜時分向南望去的星空示意圖，圖中左邊橙紅色的是火星（Mars），右邊白色的是土星（Saturn），圖中標註的星座是人馬座（Sagittarius）。
在觀賞又大又明亮的火星時，也要當心一則可能死灰復燃的謠言——“火星大沖時，火星看起來將和滿月一般大”，這是2003年上次“火星大沖”時曾出現的一個惡作劇謠言，千萬別信！
因為火星的視直徑最大也就25”，而滿月的視直徑在0.5°左右，兩者相差懸殊。如果火星看上去真和滿月差不多大時，那地球就碰到大麻煩了，火星的引力將對地球和月球造成巨大的影響，那無疑會是災難性的。
都市傳說不可輕信，“火星大沖”時的“超級火星”不可能看上去和月亮一般大。圖中左上表示所謂的大如滿月的火星，圖中右上是月亮。
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