1.天体运行

入夜，天空变暗，火星高高悬挂在空中，就像一个燃烧的血红色恶魔。正因如此，火星在神话传说中是一个不祥之兆。古巴比伦人把火星称为死亡之星——“尼尔加尔”（Nirgal）。古希腊人将其称为战神“阿瑞斯”，后来，古罗马人称之为“玛尔斯”。如今，我们往往下意识地用红色行星来指代它。

在“固定”的恒星背景中移动的小圆点叫作“行星”（Planet，原意为流浪者）。

1543年，波兰数学家尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus）公布了一份报告，解释他为何相信包括地球在内的行星都是绕着太阳运行的，从而推翻了万物绕地球运行的旧观念。

在丹麦国王弗雷德里克二世的资助下，第谷·布拉赫（Tycho Brahe）在哥本哈根海峡附近的岛上建立了一座天文台，他以前所未有的精度绘制了恒星的位置和行星的运动。1599年，第谷搬到布拉格，在鲁道夫二世皇帝的资助下，继续进行研究。

1601年，第谷在去世前，把这些独一无二的观测档案，交给了跟随他多年的首席助理约翰尼斯·开普勒。那时候，天文学和占星术之间的界线还很模糊，因此，开普勒一边用第谷的观测数据，用数学分析火星的运动，一边进行星座占卜，补贴家用。

1609年，开普勒宣布，火星的运行轨道是一个椭圆，偏心率为0.0935。

椭圆的偏心率，是指椭圆中心到焦点之间的距离，与椭圆半长轴的长度之比。因此，椭圆的偏心率在0（此时为正圆）到1（此时为抛物线）之间。

开普勒发现的行星运动三定律之一的“等时长，等面积”定律。（Woods供图）

进一步深入分析后，开普勒确定了行星运动的三条定律。行星运动第一定律指出，行星的轨道是一个椭圆，太阳位于其中的一个焦点上，另一个焦点上没有星球。天体在圆轨道上匀速运动，但在椭圆轨道上的运行速度是不同的。第二定律指出，行星在离太阳最近时运动速度最快，离太阳最远时运动速度最慢。在开普勒提供的图解中，可以确定行星在椭圆轨道上任意位置时的运行速度，因为运动中的行星与太阳的连线（矢径），在相同的时间内扫过的面积相等。这也被称为“等时长，等面积”定律。

血红色的火星

我们现在知道，火星之所以呈微红色，是因为土壤中的铁与氧发生反应，形成了铁锈物质。血红蛋白也会发生类似的反应，因此血液才会变红。所以，火星确实是血红色的。

第三定律认为，相对而言，行星公转周期的平方，与它们到太阳的平均距离的立方成正比*。

开普勒定律适用于绕太阳运行的行星，以及绕行星运行的卫星，当然，也包括绕地球运行的月球。

后面我们会讲到，火星绕太阳运行的轨道，比地球远约50％；火星到太阳中心的距离在2.06亿千米到2.49亿千米之间变化，平均为2.28亿千米。地球绕太阳轨道的偏心率为0.0167，到太阳中心的平均距离为1.495亿千米，最远和最近距离的变化范围不超过250万千米。由于行星以开普勒推断的经验定律绕太阳运行，因此，火星到太阳的距离越远，它在太空中的运行速度就越慢，按照地球上的时间计算，火星需要687天才能完成一次公转。火星的公转周期比地球的公转周期更长，与绕太阳运行的平面（称为“黄道”）之间的倾角比地球大1.8°。因此，火星在天空中的运行轨迹不规则，原本应该自西向东的渐进运动，有时会被它的“逆行”所干扰。

火星冲日，是指火星在天空中正对太阳的现象，每隔780天发生1次。连续发生火星冲日的位置，分布在黄道十二宫上。因此，火星完成8次冲日后，也是地球完成17次公转的时候，火星将回到轨道上的同一位置。火星在近日点冲日时，与地球之间的距离最近，约为5600万千米；火星在远日点冲日时，与地球的距离最远。

火星在太空中运行时会出现明显的“逆行”现象，这使开普勒发现了行星运动定律。（Woods供图）

火星冲日、火星合日，以及火星上的季节受椭圆轨道的影响。（Woods供图）

火星冲日与火星合日

地球和火星在各自的轨道上绕太阳运行。太阳与这两颗行星在一条直线上，有两种情况。一种情况是这两颗行星位于太阳的同一侧，此时称为火星冲日；另一种情况是这两颗行星位于太阳的两侧，此时称为火星合日。火星冲日时，夜空中的火星显得很亮。但是，火星合日时，由于正好是在白天，所以看不到火星。