Исследование и изучение Марса — это научный процесс сбора, систематизации и сопоставления данных о четвёртой планете Солнечной системы. Процесс изучения охватывает различные области знания, в том числе астрономию, биологию, планетологию и другие.
Исследование Марса началось давно, ещё 3,5 тысячи лет назад, в Древнем Египте. Первые подробные отчёты о положении Марса были составлены вавилонскими астрономами, которые разработали ряд математических методов для предсказания положения планеты. Пользуясь данными египтян и вавилонян, древнегреческие (эллинистические) философы и астрономы разработали подробную геоцентрическую модель для объяснения движения планет. Спустя несколько веков индийскими и исламскими астрономами был оценен размер Марса и расстояние до него от Земли. В XVI веке Николай Коперник предложил гелиоцентрическую модель для описания Солнечной системы с круговыми планетарными орбитами. Его результаты были пересмотрены Иоганном Кеплером, который ввел более точную эллиптическую орбиту Марса, совпадающую с наблюдаемой.
Первые телескопические наблюдения Марса были проведены Галилео Галилеем в 1610 году. В XVII веке астрономы обнаружили на планете различные области поверхности, отличающаяся от окружающих своей яркостью (точнее — отражательной способностью, альбедо), в том числе темное пятно моря Сырт и светлые полярные ледяные шапки. Также был определён период вращения планеты и наклон её оси. Телескопические наблюдения Марса в основном проводились, когда планета достигала оппозиции к Солнцу, то есть при наименьшем расстоянии между Марсом и Землей.
Улучшение качества оптики у телескопов в начале XIX века позволило провести картографирование поверхности. Первая карта Марса была опубликована в 1840 году, а более точное картографирование началось с 1877 года. Позже астрономами были обнаружены спектральные линии молекул воды в атмосфере Марса; из-за этого открытия среди широких слоев населения становится популярной мысль о возможности жизни на Марсе. Персиваль Лоуэлл считал, что увидел на Марсе сеть искусственных каналов. Эти наблюдения, как потом оказалось, были оптическими иллюзиями, а атмосфера у Марса оказалась слишком разреженной и сухой для поддержки климата земного типа.
В 1920-е годы был измерен диапазон температур поверхности Марса, который был оценен как близкий к экстремальным условиям антарктических пустынь. В 1947 году Джерард Койпер определил, что разреженная атмосфера Марса содержит большой объём двуокиси углерода. Первый список названий и координат 128 основных деталей поверхности (деталей альбедо) Марса отличающихся по яркости от окружающих областей был принят в 1958 году на X генеральной ассамблее Международного астрономического союза. В 1969 году был организован Международный планетный патруль в составе семи обсерваторий, расположенных сравнительно равномерно по долготе и недалеко от экватора. Обсерватории патруля оснащены однотипными телескопами и фотокамерами с электронным оборудованием. Они следят за облаками и пыльными бурями, а также сезонными изменениями поверхности Марса.
С 1960 года начались запуски автоматических межпланетных станций для изучения планеты, вначале с пролётной траектории, а затем с орбиты искусственного спутника и непосредственно на поверхности. Самые известные из них: Викинги, Маринеры, Марс (серия советских космических аппаратов), Марс Глобал Сервейор, марсоходы Соджонер (1997 год), Спирит (с 4 января 2004 года до 22 марта 2010 года), Оппортьюнити (с 25 января 2004 года по 15 февраля 2019 года), Кьюриосити (c 6 августа 2012 года) и др. На орбиты Марса были также выведены американские станции Mars Odyssey (2001), MER-B Opportunity (2004), MRO (2006), MSL Curiosity (2012), MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, 2014) и европейская станция ExoMars-2016, которая достигла Красной планеты 19 октября 2016 года.
Обнаружение на Земле метеоритов марсианского происхождения позволило исследовать химический состав поверхности планеты. В настоящее время Марс по-прежнему находится под наблюдением наземных телескопов и радиотелескопов, позволяющих исследовать поверхность планеты в широком диапазоне электромагнитных волн. Дальнейший прогресс в исследовании Марса связан с продолжением исследования планеты дистанционно управляемыми космическими аппаратами и осуществлением пилотируемого полёта на Марс.
Первые наблюдения Марса
Первые наблюдения Марса проводились до изобретения телескопа. Это были позиционные наблюдения с целью определения положений планеты по отношению к звёздам.
Существование Марса как блуждающего объекта в ночном небе было письменно засвидетельствовано древнеегипетскими астрономами в 1534 году до н. э. Ими же было установлено ретроградное (попятное) движение планеты и рассчитана траектория движение вместе с точкой, где планета меняет своё движение относительно Земли с прямого на попятноеbibcode=2008POBeo..85…19N. Среди обозначений Марса встречается название «Он движется в обратном направлении», отмечающее интервал попятного движения. Другое название Марса, «Красный Хор», с несомненностью указывает на то, что в основе названий лежат наблюдения. Марс был изображен на потолке гробницы Сети I и Рамессеума, однако пропущен в карте звёздного неба, созданной древнеегипетским учёным и архитектором Сенмутом. Последнее может быть связано с соединением Марса и Солнца в то время.
В период Нововавилонского царства вавилонские астрономы проводили систематические наблюдения за положением и движением планет. Они установили, что Марс делает 37 синодических периода, или 42 зодиакальных круга, каждые 79 лет. Ими также были разработаны арифметические методы с малыми поправками для прогноза позиции планеты. В вавилонской планетарной теории были впервые получены временные измерения планетарного движения Марса и уточнено положение планеты на ночном небе.
Китайские записи о внешнем виде и движении Марса уже появляются в период до основания династии Чжоу (1045 год до н. э.), также во время династии Цинь (221 год до н. э.). Китайские астрономы делали записи о планетарных союзах планет, в том числе о соединениях с Марсом. В 375 году н. э. было отмечено покрытие Марса Венерой. Более подробно период и орбита движения планеты были вычислены во время династии Тан (618 год н. э.)Ciyuan, Liu (February 1988). «Ancient Chinese Observations of Planetary Positions and a Table of Planetary Occultations». Earth, Moon and Planets 40 (111—117). doi: 10.1007/BF00056020 . Bibcode: 1988EM&P…40..111C.Needham, Joseph; Ronan, Colin A. (1985). The Shorter Science and Civilisation in China: An Abridgement of Joseph Needham’s Original Text. 2 (3rd ed.). Cambridge University Press. p. 187. ISBN 0-521-31536-0 .Chang, Shuyen; Wu, Zhongliang (1988). «An introduction to the historical records of China about Mars». MEVTV Workshop on Nature and Composition of Surface Units on Mars. Lunar and Planetary Institute. pp. 40-42.York, Tom J. (November 2001). «An analysis of close conjunctions recorded in ancient China». Journal for the History of Astronomy 32, Part 4 (109): 337—344. Bibcode: 2001JHA….32..337Y..
Астрономия в Древней Греции развивалась под влиянием месопотамской культуры и знаний. Из-за того, что вавилоняне отождествляли планету Марс с Нергалом — богом войны и эпидемии, греки отождествили планету с своим богом войны — Аресом (Марсом у римлян)Valery, Franz; Cumont, Marie (1912). Astrology and religion among the Greeks and Romans. GP Putnam. p. 46 . Проверено 2010-01-05.. В период становления греческой астрономии движение планет не представляет большого интереса для греков, и в учебнике Гесиода для древнегреческих школ Труды и дни (ок. 650 года до н. э.) нет упоминания о планетахEvans, James (1998). The history & practice of ancient astronomy. Oxford University Press US. p. 297. ISBN 0-19-509539-1 ..
Модели Солнечной системы
Греки использовали слово planēton для обозначения семи небесных тел, изменяющих своё положение относительно неподвижных звёзд. Они считали, что такие тела движутся по геоцентрической орбите вокруг Земли. Греческий философ Платон написал старейшие из известных записей о греческой астрономической традиции в области планет в своей работе «Государство» (380—360 год до н. э.). Его список, в порядке от наиболее отдаленного до ближайшего к центру объектов, был таким: Сатурн, Юпитер, Марс, Меркурий, Венера, Солнце, Луна и в центре Земля. В своих диалогах Тимей Платон предположил, что вращение планет на небесной сфере зависит от расстояния, поэтому дальний объект движется медленнее всегоBrumbaugh, Robert S. (1987). Hendley, Brian Patrick. ed. Plato, time, and education: essays in honor of Robert S. Brumbaugh. SUNY Press. p. 85. ISBN 0-88706-733-6..
Аристотель, ученик Платона, в 365 году до н. э. наблюдал покрытие Марса Луной. Из наблюдений он сделал вывод, что Марс должен находиться дальше от Земли, чем Луна. Он также указывал о других подобных феноменах: затмениях звёзд и планет, которые были отмечены у египетских и вавилонских астрономовLloyd, Geoffrey Ernest Richard (1996). Aristotelian explorations. Cambridge University Press. p. 162. ISBN 0-521-55619-8 .Price, Fred William (2000). The planet observer’s handbook (2nd ed.). Cambridge University Press. p. 148. ISBN 0-521-78981-8 .In China, astronomers recorded an occultation of Mars by the Moon in 69 BCE. See Price (2000:148).. Аристотель использовал эти данные в поддержку греческой последовательности планет в геоцентрической модели вселеннойHeidarzadeh, Tofigh (2008). A history of physical theories of comets, from Aristotle to Whipple. 19 . Springer. p. 2. ISBN 1-4020-8322-X.. В своей работе «О небе» Аристотель предложил модель Вселенной, в которой Солнце, Луна и планеты движутся по окружностям вокруг Земли на фиксированном друг от друга расстоянии. Более сложная версия геоцентрической модели была разработана греческим астрономом Гиппархом. Он предложил модель, в которой Марс и другие планеты движутся вокруг Земли не по равномерной окружности, а по траектории, названной впоследствии эпицикломKolb, Edward W.; Kolb, Rocky (1996). Blind watchers of the sky: the people and ideas that shaped our view of the universe. Basic Books. pp. 29-30. ISBN 0-201-48992-9 .Hummel, Charles E. (1986). The Galileo connection: resolving conflicts between science & the Bible. InterVarsity Press. pp. 35-38. ISBN 0-87784-500-X..
В Римском Египте во втором веке н. э. Клавдий Птолемей пытался разрешить проблему орбитального движения Марса. По наблюдениям Марс движется на 40 % быстрее в одной полуплоскости своей орбиты, чем другой — этот факт полностью опровергает аристотелевскую модель равномерного движения. Птолемей доработал модель Аристотеля, внеся в неё изменения, добавив к равномерному движению по круговой орбите смещение от центра этой орбиты. Модель Птолемея и его исследования по астрономии были подробно изложены в многотомном труде Альмагест, который стал авторитетным трактатом по астрономии в Западной Европе следующие четырнадцать веков.
В пятом веке н. э. в древнеиндийском астрономическом трактате Сурья-сиддханта угловой размер Марса был оценен как две угловые минуты, а расстояние от него до Земли в (). Поэтому диаметр Марса будет равен 6070 км (754,4 йоджана), и это значение имеет погрешность в пределах 11 % от принятого позднее значения 6788 км. Однако эта оценка была основана на неточной догадке об угловом диаметре планеты, по которой он должен быть равен в пределах двух угловых минут. Результаты, возможно, были получены под влиянием измерений Птолемея, который получил значение в пределах 1,57 угловых минуты. Эта величина близка к разрешению человеческого глаза, значительно больше, чем значения, которые были получены позже с помощью телескопаThompson, Richard (1997). «Planetary Diameters in the Surya-Siddhanta». Journal of Scientific Exploration 11 (2): 193—200 [193-6]. Проверено 2010-03-13..