垂直温度结构、大气成分和化学反应等，现有的地球大气辐射传输模式无法适用，这是因为金星大气很高的大气压和高浓度CO2。在气压很高的情况下，温室气体（CO2等）的吸收谱线会变宽，也就是所谓的压致增宽效应。另外，在CO2浓度较高的情况下，CO分子之间的碰撞也会产生吸收谱线增宽的效应（碰撞增宽效应）。在研究金星大气的辐射传输过程时，这些吸收谱线增宽效应必须考虑。目前所使用的CO2在高压和高浓情况下的谱线吸收系数基本是根据Baranov等（2004）的实验结果，这些结果的可靠性还需要进一步检验。金星大气中的二氧化硫气溶胶和硫酸云的散射特性也需要进一步的研究。金星大气在赤道上空的超级旋转及其宽广的哈德雷环流是金星大气动力学的研究重点。但除了使用一些理想的大气环流模式对这些问题进行研究之外，目前还没有被一致认可的金星大气环流模式用于研究这些问题。除了金星大气动力学本身的复杂性，缺乏可靠的辐射传输模式也是制约发展较复杂和真实的金星大气环流模式的障碍。在2009年发表的行星科学10年（2013-2022）规划中，美国科学院科学研究顾问委员会行星科学专家组建议的金星研究计划是在21世纪20年代中期发射“金星气候探测器”，其目的主要为了研究：1）确定金星强CO2温室大气在辐射平衡、云的性质、大气动力和化学在三维空间的分布和随时间变化的特征，2）确定金星大气超级旋转的动力学性质和变化特征，提高金星大气环流模式的模拟和预测能力，3）更准确地理解金星低层大气与金星表面的化学反应，4）确定金星大气的起源，5）寻找金星大气近期气候变化的大气证据，6）搞清楚金星大气气候演化对地球历史气候长期演化的重要意义，尤其是为什么金星从一个与地球类似的气候环境发生了剧烈的气候变化？地球在何时也有可能经历一个类似的气候变化？3.2火星大气在太阳系各行星中，火星的自传速度和自转轴倾角都与地球的最为接近。在11/ 60
11 / 60 垂直温度结构、大气成分和化学反应等，现有的地球大气辐射传输模式无法适用， 这是因为金星大气很高的大气压和高浓度 CO2。在气压很高的情况下，温室气体 （CO2 等）的吸收谱线会变宽，也就是所谓的压致增宽效应。另外，在 CO2 浓度 较高的情况下，CO2 分子之间的碰撞也会产生吸收谱线增宽的效应（碰撞增宽效 应）。在研究金星大气的辐射传输过程时，这些吸收谱线增宽效应必须考虑。目 前所使用的 CO2 在高压和高浓情况下的谱线吸收系数基本是根据 Baranov 等 （2004）的实验结果，这些结果的可靠性还需要进一步检验。金星大气中的二氧 化硫气溶胶和硫酸云的散射特性也需要进一步的研究。 金星大气在赤道上空的超级旋转及其宽广的哈德雷环流是金星大气动力学的 研究重点。但除了使用一些理想的大气环流模式对这些问题进行研究之外，目前 还没有被一致认可的金星大气环流模式用于研究这些问题。除了金星大气动力学 本身的复杂性，缺乏可靠的辐射传输模式也是制约发展较复杂和真实的金星大气 环流模式的障碍。 在 2009 年发表的行星科学 10 年（2013-2022）规划中，美国科学院科学研究 顾问委员会行星科学专家组建议的金星研究计划是在 21 世纪 20 年代中期发射 “金星气候探测器”，其目的主要为了研究： 1） 确定金星强 CO2 温室大气在辐射平衡、云的性质、大气动力和化学在三 维空间的分布和随时间变化的特征， 2） 确定金星大气超级旋转的动力学性质和变化特征，提高金星大气环流模 式的模拟和预测能力， 3） 更准确地理解金星低层大气与金星表面的化学反应， 4） 确定金星大气的起源， 5） 寻找金星大气近期气候变化的大气证据， 6） 搞清楚金星大气气候演化对地球历史气候长期演化的重要意义，尤其是 为什么金星从一个与地球类似的气候环境发生了剧烈的气候变化？地 球在何时也有可能经历一个类似的气候变化？ 3.2 火星大气 在太阳系各行星中，火星的自传速度和自转轴倾角都与地球的最为接近。在
火星早期，其气候环境可能与地球的相似，气候比较温和，有液态水，并适合生命的生存。因此，研究火星大气为理解地球气候系统和地球生命的演化进程提供了最佳的参照。火星大气非常稀薄，其地表大气压大约只有6-7hPa，大气的主要成分同样是CO2，其含量是96%。虽然CO2浓度很高，但由于其大气稀薄，所以，火地表平均温度大约是-60℃。火星表面呈红褐色（图5），这是因为其表面土壤含有丰富的三氧化二铁（铁锈）。图5中火星两极的白色物质为CO2干冰和水冰冰盖。因为火星的冬半球温度极低，低于CO2凝固成干冰的温度（在6hPa大气压的条件下大约是-123℃），所以，在火星的两极冠区有长年存在的干冰冰盖。因为没有臭氧层，火星大气的平流层基本是等温的（图6）。火星大气的对流层有沙尘暴卷起的沙尘，在对流层上层存在冰晶云（H2O）。在平流层低层，温度更低，开始出现干冰云。图7给出的是观测的火星纬向平均温度、风速和火星大气环流模式模拟的纬向平均质量流函数的分布（Haberleetal.,1993,Leovy,2001）。火星大气的温度场与地球大气不同，其地面和对流层最高温度并不位于赤道，而是位于夏半球中纬度。这是因为火星大气的下垫面是陆地而不是海洋。陆地的热力惯性很小，地表温度对太阳辐射响应很快。因此，地表最高温度并不位于赤道。简单地讲，火星大气的纬向平均温度场很像地球大气平流层的温度分布。温度场的分布决定了火星大气的纬向风分布与地球不同（热成风关系），没有副热带急流，仅在冬半球副极地有一支急流，很像地球大气平流层的极夜急流。另外，无论在对流层或是平流层，热带和夏半球基本为东风，而冬半球为西风，这些也都与地球大气平流层的纬向风场很相似。火星平流层极夜急流风速比地球的大得多，高达120ms。火星大气的哈德雷环流也与地球不太一样，其冬半球的环流圈占主导地位，相应的夏半球环流圈区域较小又微弱。冬半球的单圈跨赤道环流圈主导了火星大气两个半球之间的质量输送。火星大气环流与地球的差异在很大程度上是由于下垫面不同造成的（没有海洋），火星表面的热力惯性较小，而且大气的辐射平衡时间尺度也较短。火星大气环流与二氧化碳循环、水循环和沙尘循环是密切耦合在一起的。大气运动卷起沙尘，而扬起的沙尘反过来影响大气辐射传输和热力场，进而影响火12/60
12 / 60 火星早期，其气候环境可能与地球的相似，气候比较温和，有液态水，并适合生 命的生存。因此，研究火星大气为理解地球气候系统和地球生命的演化进程提供 了最佳的参照。 火星大气非常稀薄，其地表大气压大约只有6-7 hPa，大气的主要成分同样是 CO2，其含量是96%。虽然CO2浓度很高，但由于其大气稀薄，所以，火星地表 平均温度大约是-60 ℃。火星表面呈红褐色（图5），这是因为其表面土壤含有丰 富的三氧化二铁（铁锈）。图5中火星两极的白色物质为CO2干冰和水冰冰盖。因 为火星的冬半球温度极低，低于CO2凝固成干冰的温度（在6 hPa大气压的条件下 大约是-123℃），所以，在火星的两极冠区有长年存在的干冰冰盖。因为没有臭 氧层，火星大气的平流层基本是等温的（图6）。火星大气的对流层有沙尘暴卷起 的沙尘，在对流层上层存在冰晶云（H2O）。在平流层低层，温度更低，开始出 现干冰云。 图7给出的是观测的火星纬向平均温度、风速和火星大气环流模式模拟的纬 向平均质量流函数的分布（Haberle et al., 1993, Leovy, 2001）。火星大气的温度场 与地球大气不同，其地面和对流层最高温度并不位于赤道，而是位于夏半球中纬 度。这是因为火星大气的下垫面是陆地而不是海洋。陆地的热力惯性很小，地表 温度对太阳辐射响应很快。因此，地表最高温度并不位于赤道。简单地讲，火星 大气的纬向平均温度场很像地球大气平流层的温度分布。温度场的分布决定了火 星大气的纬向风分布与地球不同（热成风关系），没有副热带急流，仅在冬半球 副极地有一支急流，很像地球大气平流层的极夜急流。另外，无论在对流层或是 平流层，热带和夏半球基本为东风，而冬半球为西风，这些也都与地球大气平流 层的纬向风场很相似。火星平流层极夜急流风速比地球的大得多，高达120 ms-1。 火星大气的哈德雷环流也与地球不太一样，其冬半球的环流圈占主导地位，相应 的夏半球环流圈区域较小又微弱。冬半球的单圈跨赤道环流圈主导了火星大气两 个半球之间的质量输送。火星大气环流与地球的差异在很大程度上是由于下垫面 不同造成的（没有海洋），火星表面的热力惯性较小，而且大气的辐射平衡时间 尺度也较短。 火星大气环流与二氧化碳循环、水循环和沙尘循环是密切耦合在一起的。大 气运动卷起沙尘，而扬起的沙尘反过来影响大气辐射传输和热力场，进而影响火
星大气运动。在夏半球，在太阳光照射下，地表升温，大气被加热后产生上升运动。另外，地表干冰由于温度的开高而升华进入大气（CO基本是从固态直接转换成气态，很少以液态的形式出现，因为液态CO2存在的温度-压强相空间非常小），在冬季，大气中的部分CO2凝固并沉降到地表，到了夏季，部分地表干冰升华进入大气，构成CO2相变循环过程。通过哈德雷环流被输送到冬半球。在冬半球，由于地表和大气温度较低，CO2凝固成干冰，一部分以干冰云留在大气里，另一部分降落到地面。因此，火星季节性极冠区二氧化碳的相变，并在哈德雷环流的作用下形成了二氧化碳在两半球之间的质量迁移，使两个半球的大气压力呈现周期性变化。火星大气中的水汽也在哈德雷环流的作用下在不同的源区之间随季节迁移，并在大气中形成云、霜、雾等气象现象。火星早期的气候是否曾与地球一样温暖？是否曾有液态水存在？是否曾有生命存在？这些问题一直是火星大气研究的热点。图8是1984年12月27日在南极发现的一块被认为是来自早期火星的陨石（编号为：ALH84001）。该陨石表面有原始微生物的特征，一些学者据此认为在火星的早期曾有原始生命存在（McKayetal.，1996），这也意味着火星的早期气候可能曾经像地球那样温和，并曾有液态水存在。由于现在火星的表面温度很低，火星表面目前不可能有液态水存在，但在远古时期是否曾存在液态水一直是人们关注的中心问题。过去的十年里，人们对火星演化历史的知识增进了很多。火星表面古老的地质单元的地质和矿物学证据（包括高密度的河流系统、三角洲沉积、静态水体沉积物和蒸发矿物等等）都表明，远古火星可能曾经有温暖和湿润的环境（KarrandHead2003，MalinandEdgett2003，Bibringetal.2006），而这一温暖湿润的环境到距今约35亿年时逐渐消失了（Andrews-Hannaetal.2010）。值得指出的是所有温暖湿润环境的证据都不存在于早于40亿年前(FassettandHead2010)，有学者指出这可能代表着古代火星的温暖湿润的环境是与发生在40亿和38亿年前之间的晚重轰击时期有关(Seguraetal.2002,Toonetal.2010)。另一方面，如果早期火星有过温暖湿润的环境，是什么导致了火星环境从暖至冷这一气候变化呢？“火星全球观测者”发现了远古时代火星存在磁场的证据。远古时代火星的磁场有可能减弱了太阳风对古火星大气的剥蚀作用，从而使得古火星得以保持其大气。到35亿年前，古火星磁场减弱了，火星大气逃逸，从而引发了前述的气候变化(Solomonetal.2005)。13/60
13 / 60 星大气运动。在夏半球，在太阳光照射下，地表升温，大气被加热后产生上升运 动。另外，地表干冰由于温度的升高而升华进入大气（CO2基本是从固态直接转 换成气态，很少以液态的形式出现，因为液态CO2存在的温度-压强相空间非常 小），在冬季，大气中的部分CO2凝固并沉降到地表，到了夏季，部分地表干冰 升华进入大气，构成CO2相变循环过程。通过哈德雷环流被输送到冬半球。在冬 半球，由于地表和大气温度较低，CO2凝固成干冰，一部分以干冰云留在大气里， 另一部分降落到地面。因此，火星季节性极冠区二氧化碳的相变，并在哈德雷环 流的作用下形成了二氧化碳在两半球之间的质量迁移，使两个半球的大气压力呈 现周期性变化。火星大气中的水汽也在哈德雷环流的作用下在不同的源区之间随 季节迁移，并在大气中形成云、霜、雾等气象现象。 火星早期的气候是否曾与地球一样温暖？是否曾有液态水存在？是否曾有 生命存在？这些问题一直是火星大气研究的热点。图8是1984年12月27日在南极 发现的一块被认为是来自早期火星的陨石（编号为：ALH84001）。该陨石表面 有原始微生物的特征，一些学者据此认为在火星的早期曾有原始生命存在 （McKay et al., 1996），这也意味着火星的早期气候可能曾经像地球那样温和， 并曾有液态水存在。由于现在火星的表面温度很低，火星表面目前不可能有液态 水存在，但在远古时期是否曾存在液态水一直是人们关注的中心问题。过去的十 年里，人们对火星演化历史的知识增进了很多。火星表面古老的地质单元的地质 和矿物学证据（包括高密度的河流系统、三角洲沉积、静态水体沉积物和蒸发矿 物等等）都表明，远古火星可能曾经有温暖和湿润的环境（Karr and Head 2003, Malin and Edgett 2003, Bibring et al. 2006），而这一温暖湿润的环境到距今约35 亿年时逐渐消失了（Andrews-Hanna et al. 2010）。值得指出的是所有温暖湿润环 境的证据都不存在于早于40亿年前(Fassett and Head 2010)，有学者指出这可能代 表着古代火星的温暖湿润的环境是与发生在40亿和38亿年前之间的晚重轰击时 期有关(Segura et al. 2002, Toon et al. 2010)。另一方面，如果早期火星有过温暖湿 润的环境，是什么导致了火星环境从暖至冷这一气候变化呢？“火星全球观测者” 发现了远古时代火星存在磁场的证据。远古时代火星的磁场有可能减弱了太阳风 对古火星大气的剥蚀作用，从而使得古火星得以保持其大气。到35亿年前，古火 星磁场减弱了，火星大气逃逸，从而引发了前述的气候变化(Solomon et al. 2005)
值得注意的是，迄今为止所有的数值计算都不能支持从38亿年以来火星大气逃逸是其气候变化的原因这一说法(Tianetal2009)。NASA预计于2013年发射的MAVEN探测器，将用于探测火星的高层大气，它将有利于加强我们对火星演化历史的理解。另一个未解之谜是古火星的大气和岩石成分可能与今天火星的非常不同。如果远古火星有温暖湿润的环境，应当形成大规模的碳酸盐岩石。尽管在火星陨石中和火星表面都已经发现了碳酸盐(Ehlmannetal.2008)，火星上到底有多少碳酸岩仍有待回答。寻找火星上是否曾存在液态水一直是行星科学学者们的巨大兴趣。NASA于2003年发射的“勇气号”和“机会号”火星探测车（图9）为火星曾存在液态水提供了有力的证据。火星探测车的数据显示，在35亿年前火星表面的液相化学呈酸性，并在古老的地层中发现了局部的碳酸岩，而碳酸盐岩石的形成需要液态水，说明火星早期确实曾经温和而且湿润。这些岩石形成时的火星环境应该比35亿年前的环境酸性更弱。这一环境变化究竟是全球性的还是局域性的仍然是激烈争论的课题（Morrisetal.2010）。长时间的火山运动可能导致了大范围的酸性环境出现，从而掩盖了更古老碳酸岩的纪录（Murchieetal.2009）。如果火星上存在全球性的古代碳酸岩沉积，古火星的环境可能适合生命的存在。最近人们发现火星大气中存在较多的甲烷，并且其随时间和空间的变化均较强（Mummaetal.2009）。由于甲烷在火星大气里的光化反应时标约为300年，如果有关火星大气甲烷的发现被未来的行星探测计划证实，某种快速产生甲烷的地下过程（火山、地热、地球化学或生物活动）正在火星上发生(LefevreandForget.2009)。今天火星的表面不适于维持生命。火星的表面环境类似于寒带沙漠，并且呈氧化性。另外火星的稀薄大气使太阳紫外辐射可以直达其表面。这些都使得火星表面难以维持生命生存。有人认为，在金星和火星演化历史的前5亿年这两颗行星都可能有液态水存在，从而可能有生命存在的环境。比较行星学试图通过研究地球的近邻或相似体来理解地球的过程和发展历史。除了液态水和相对温和稳定的环境以外，火星地下生命还需要有机物和能量以维持其新陈代谢功能。当我们考虑古火星上的可能的生命环境时，所有这些都需要考虑。如何来验证火星大气甲烷的观测并验证有关甲烷起源的假说呢？NASA和ESA计划于2016年发射火星大气痕量气体观测任务来测量关键痕量气体及其同14/60
14 / 60 值得注意的是，迄今为止所有的数值计算都不能支持从38亿年以来火星大气逃逸 是其气候变化的原因这一说法(Tian et al. 2009)。NASA预计于2013年发射的 MAVEN探测器，将用于探测火星的高层大气，它将有利于加强我们对火星演化 历史的理解。另一个未解之谜是古火星的大气和岩石成分可能与今天火星的非常 不同。如果远古火星有温暖湿润的环境，应当形成大规模的碳酸盐岩石。尽管在 火星陨石中和火星表面都已经发现了碳酸盐(Ehlmann et al. 2008)，火星上到底有 多少碳酸岩仍有待回答。 寻找火星上是否曾存在液态水一直是行星科学学者们的巨大兴趣。NASA于 2003年发射的“勇气号”和“机会号”火星探测车（图9）为火星曾存在液态水 提供了有力的证据。火星探测车的数据显示，在35亿年前火星表面的液相化学呈 酸性，并在古老的地层中发现了局部的碳酸岩，而碳酸盐岩石的形成需要液态水， 说明火星早期确实曾经温和而且湿润。这些岩石形成时的火星环境应该比35亿年 前的环境酸性更弱。这一环境变化究竟是全球性的还是局域性的仍然是激烈争论 的课题（Morris et al. 2010）。长时间的火山运动可能导致了大范围的酸性环境出 现，从而掩盖了更古老碳酸岩的纪录（Murchie et al. 2009）。如果火星上存在全 球性的古代碳酸岩沉积，古火星的环境可能适合生命的存在。 最近人们发现火星大气中存在较多的甲烷，并且其随时间和空间的变化均较 强（Mumma et al. 2009）。由于甲烷在火星大气里的光化反应时标约为300年， 如果有关火星大气甲烷的发现被未来的行星探测计划证实，某种快速产生甲烷的 地下过程（火山、地热、地球化学或生物活动）正在火星上发生(Lefèvre and Forget. 2009)。今天火星的表面不适于维持生命。火星的表面环境类似于寒带沙漠，并 且呈氧化性。另外火星的稀薄大气使太阳紫外辐射可以直达其表面。这些都使得 火星表面难以维持生命生存。有人认为，在金星和火星演化历史的前5亿年这两 颗行星都可能有液态水存在，从而可能有生命存在的环境。比较行星学试图通过 研究地球的近邻或相似体来理解地球的过程和发展历史。除了液态水和相对温和 稳定的环境以外，火星地下生命还需要有机物和能量以维持其新陈代谢功能。当 我们考虑古火星上的可能的生命环境时，所有这些都需要考虑。 如何来验证火星大气甲烷的观测并验证有关甲烷起源的假说呢？NASA和 ESA计划于2016年发射火星大气痕量气体观测任务来测量关键痕量气体及其同
位素在大气中的成分、含量和变化。虽然对火星地下生命的确凿无疑的验证工作需要等待样品返回计划的实施，但研究火星大气中的甲烷和其他痕量气体将能够来验证火星大气甲烷的探测并回答火星大气甲烷是由地质过程还是由生命过程产生这一问题。因此测量火星大气痕量气体是2020年以前火星研究的重点课题。远古火星可能是温暖湿润的，但是远古时期的太阳光度却很弱。如何使远古火星维持温暖湿润的环境还是未解之谜(Haberle，1998，JakoskyandPhillips2001)。火山活动所喷发的二氧化硫气体可能为远古火星提供了额外的温室效应（Johnsonetal.2008），但硫酸盐气溶胶会使火星表面冷却（Tianetal.2010）。干冰云可能对表面有加热作用（ForgetandPierrehumbert1997），但如何维持全球性的干冰云覆盖是个问题(ColapreteandToon2002)。在较晚的重轰击时期火星表面可能发生频繁而又短暂的暖化事件（Seguraetal.2008），这种短暂的暖化能否解释今天的火星地貌值得进一步研究。继续通过观测和理论研究远古火星气候变化是今后一段时间火研究的重点课题。火星大气中二氧化碳循环的凝结部分因大气沉降、近地表加热和其它气体混合等过程而变得相当复杂。在其升华过程中，高速二氧化碳喷柱可以把沙子大小的颗粒带到表面并形成可以影响极冠反照率的暗斑（Kiefferetal.2006）。火星南极有厚约几米的干冰极冠，其下面是水冰极冠（ByrneandIngersoll2003，Bibringetal.2004）。气候模式计算表明这一干冰极冠的厚度应该在10年的时间尺度上发生明显变化（增厚或完全消失）。因此我们观测到的南极干冰极冠可能意味着火星气候变化的时间尺度只有10年左右。更令人惊的是这一发现也意味着火星上可以很容易地进入大气层的二氧化碳远远小于原来的估计（ByrneandIngersoll2003）。火星极区的地貌和沉积物结构告诉我们火星在最近千万年时间尺度里经历了较大的气候变化，火星大气中的水汽含量变化较大，相当多的地表冰在极区和低纬地区之间迁移，这些有可能与其自转轴倾角和轨道偏心率的周期性变化有关（Headetal.2003,Mischnaetal.2003,Levrard etal.2004,Forgetetal2006）。我们还不理解与此周期性变化相关的气候过程，对这些过程和火星极区的进一步研究将有利于我们对火星古气候变化的理解。尽管已有的火星探测为给我们提供了比较丰富的关于水、二氧化碳和沙尘的季节性循环的纪录(Smith,2004,Kleinbohletal.,2009)，但这些记录中火星气候变15/60
15 / 60 位素在大气中的成分、含量和变化。虽然对火星地下生命的确凿无疑的验证工作 需要等待样品返回计划的实施，但研究火星大气中的甲烷和其他痕量气体将能够 来验证火星大气甲烷的探测并回答火星大气甲烷是由地质过程还是由生命过程 产生这一问题。因此测量火星大气痕量气体是2020年以前火星研究的重点课题。 远古火星可能是温暖湿润的，但是远古时期的太阳光度却很弱。如何使远古 火星维持温暖湿润的环境还是未解之谜(Haberle, 1998, Jakosky and Phillips, 2001)。火山活动所喷发的二氧化硫气体可能为远古火星提供了额外的温室效应 （Johnson et al. 2008），但硫酸盐气溶胶会使火星表面冷却（Tian et al. 2010）。 干冰云可能对表面有加热作用（Forget and Pierrehumbert 1997），但如何维持全 球性的干冰云覆盖是个问题(Colaprete and Toon 2002)。在较晚的重轰击时期火星 表面可能发生频繁而又短暂的暖化事件（Segura et al. 2008），这种短暂的暖化 能否解释今天的火星地貌值得进一步研究。继续通过观测和理论研究远古火星气 候变化是今后一段时间火星研究的重点课题。 火星大气中二氧化碳循环的凝结部分因大气沉降、近地表加热和其它气体混 合等过程而变得相当复杂。在其升华过程中，高速二氧化碳喷柱可以把沙子大小 的颗粒带到表面并形成可以影响极冠反照率的暗斑（Kieffer et al. 2006）。火星 南极有厚约几米的干冰极冠，其下面是水冰极冠（Byrne and Ingersoll 2003， Bibring et al. 2004）。气候模式计算表明这一干冰极冠的厚度应该在10年的时间 尺度上发生明显变化（增厚或完全消失）。因此我们观测到的南极干冰极冠可能 意味着火星气候变化的时间尺度只有10年左右。更令人惊讶的是这一发现也意味 着火星上可以很容易地进入大气层的二氧化碳远远小于原来的估计（Byrne and Ingersoll 2003）。火星极区的地貌和沉积物结构告诉我们火星在最近千万年时间 尺度里经历了较大的气候变化，火星大气中的水汽含量变化较大，相当多的地表 冰在极区和低纬地区之间迁移，这些有可能与其自转轴倾角和轨道偏心率的周期 性变化有关（Head et al. 2003, Mischna et al. 2003, Levrard et al. 2004, Forget et al. 2006）。我们还不理解与此周期性变化相关的气候过程，对这些过程和火星极区 的进一步研究将有利于我们对火星古气候变化的理解。 尽管已有的火星探测为给我们提供了比较丰富的关于水、二氧化碳和沙尘的 季节性循环的纪录(Smith, 2004, Kleinböhl et al., 2009)，但这些记录中火星气候变