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火星地理学としても知られるアレオグラフィーは、火星の領域を区分し特徴づける惑星科学のサブ分野です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]アレオグラフィーは主に地球の物理地理学と呼ばれるもの、つまり火星の地形の分布とその地図表現に焦点を当てています。2023年4月、ニューヨーク・タイムズはホープ探査機からの画像に基づいた火星の最新の全球地図を報じました。[ 4 ]関連する、しかしはるかに詳細な火星の全球地図が2023年4月16日にNASAによって公開されました。 [ 5 ]
火星の最初の詳細な観測は、地上望遠鏡によって行われました。これらの観測の歴史は、火星が地球に最も接近し、最も観測しやすい位置にある衝によって特徴づけられ、衝は数年ごとに起こります。さらに注目すべきは、火星が近日点付近に位置し、地球にさらに接近する近日点衝です。これは地球時間で15年または17年の間隔で起こります。
1877年9月（火星の近日点衝は9月5日に起こった）、イタリアの天文学者ジョヴァンニ・スキアパレッリは、火星の最初の詳細な地図を発表した。これらの地図には、彼が「カナーリ」（「水路」）と呼んだ特徴が描かれていたが、後にそれは錯覚であることが判明した。これらのカナーリは、火星の表面にあるとされる長い直線であり、彼は地球上の有名な川の名前を付けた。彼の用語は一般に「運河」と誤訳され、火星の運河論争が始まった。
これらの観測結果に基づき、火星には広大な海と植物が存在するという考えが長らく信じられてきた。しかし、 1960年代にNASAのマリナー計画で探査機が火星を訪れるまで、こうした通説は覆されることはなかった。これらの計画で得られたデータを用いて火星の地図はいくつか作成されたが、完全かつ極めて詳細な地図が得られたのは、1996年に打ち上げられ2006年末に終了したマーズ・グローバル・サーベイヤー計画によって初めてであった。
地図作成学とは、地図を作るための芸術、科学、技術のことです。 測地学とは、地球、ひいては他の惑星の形状、向き、重力を測定する科学です。地球には、2次元の曲面を2次元の平面に変換して地図作成を容易にするための、確立された多くの技術があります。火星でこれを実現するためには、投影法、座標系、測地基準系を確立する必要がありました。現在、米国地質調査所は火星の表面を30の地図作成四角形に定義しています。これらは以下に示すとおりです。
地球では、標高ゼロの基準面は海面（ジオイド）に基づいています。火星には海がないため「海面」がなく、表面をマッピングするための任意の標高ゼロレベルまたは「垂直基準面」を定義することが便利で、これをエアロイドと呼びます。[ 11 ]
火星の基準は、当初一定の大気圧に基づいて定義されました。マリナー9号ミッションから2001年までは、この圧力以下では液体の水が安定して存在できない（つまり、水の三重点がこの圧力にある）という理由から、610.5 Pa（6.105 mbar）が選択されました。この値は、地球の海面気圧のわずか0.6%です。この値の選択は、この高度以下で液体の水が存在することを意味するのではなく、温度が273.16 K（0.01℃、32.018°F）を超えた場合に液体の水が存在する可能性があることを意味するだけであることに注意してください。[ 12 ]
2001年、火星探査機レーザー高度計のデータにより、等ポテンシャル面（重力と回転のポテンシャルを合わせた面）をゼロ高度とする新たな慣例が確立され、その赤道における平均値は惑星の平均半径に等しくなる。[ 13 ]
緯度の原点は火星の平均赤道であり、これは火星の平均自転軸に垂直に定義され、周期的な揺れを取り除いている。[ 14 ]
火星の赤道は自転によって定義されますが、本初子午線の位置は地球の場合と同様に、後の観測者が受け入れた任意の点の選択によって指定されました。ドイツの天文学者ヴィルヘルム・ベールとヨハン・ハインリヒ・メードラーは、1830年から1832年にかけて火星の特徴を体系的に表した最初の図を作成する際に、シヌス・メリディアニ（「中央湾」または「子午線湾」）の小さな円形の特徴を基準点として選択しました。1877年、イタリアの天文学者ジョヴァンニ・スキアパレッリが火星の有名な地図の作成に着手した際に、彼らの選択が本初子午線として採用されました。1909年、暦作成者は観測のガイドとして暦の連続性を維持することの方が重要であると判断し、この定義は「事実上放棄された」。[ 15 ] [ 16 ]
マリナー探査機が火星の広範囲にわたる画像を提供した後、1972年にマリナー 9号測地学/地図作成グループは、本初子午線が、ベールとメードラーの子午線に沿ってシヌス・メリディアニにあるエアリー0 と呼ばれる直径500mの小さなクレーターの中心を通るように提案し、それによって0.0°経度を0.001°の精度で定義しました。[ 15 ]このモデルは、ランド研究所のマートン・デイヴィスによって開発された惑星測量基準点ネットワークを使用しました。[ 17 ]
放射測定技術によって火星表面上の物体の位置特定精度が向上したため、直径 500 m の円形クレーターの中心は正確な測定には不十分であると考えられました。そのため、 IAU の地図座標と回転要素に関するワーキンググループは、広範な放射測定追跡データが存在するバイキング 1 着陸機の経度を、標準経度である西経 47.95137° に設定することを推奨しました。この定義により、現在の地図作成上の不確実性の許容範囲内で、エアリー 0 の中心の位置が経度0° に維持されます。[ 18 ]
惑星全体にわたって一般化することは不可能であり、火星の地理は大きく異なっている。火星の地形の二面性は際立っており、溶岩流によって平坦化された北部の平原と、古代の衝突によって窪みやクレーターが形成された南部の高地とは対照的である。したがって、地球から見た火星の表面は、アルベドの異なる2種類の領域に分けられる。
赤みがかった酸化鉄を豊富に含む塵や砂で覆われた淡い平原は、かつて火星の「大陸」と考えられており、アラビア・テラ（アラビアの地）やアマゾニス・プラニティア（アマゾンの平原）といった名前が付けられていた。暗い地形は海と考えられており、マレ・エリトラエウム、マレ・シレヌム、アウロラエ・シヌスといった名前が付けられていた。地球から見える最大の暗い地形は、シルトス・マヨール・プラヌムである。
楯状火山であるオリンポス山は、 周囲の火山平原から22 km もそびえ立ち、太陽系の惑星で知られている中で最も高い山です。[ 12 ]それは、いくつかの大きな火山を含むタルシスと呼ばれる広大な高地地域にあります。火星の山のリストを参照してください。火星のタルシス地域には、太陽系最大の峡谷システムであるマリネリス峡谷（マリナー渓谷）もあり、長さは 4,000 km、 深さは 7 km です。火星には無数の衝突クレーターによる傷跡もあります。これらの中で最大のものはヘラス衝突盆地です。火星のクレーターのリストを参照してください。
火星には2つの永久的な極冠があり、北極冠はプラヌム・ボレウムに、南極冠はプラヌム・アウストラレに位置している。
火星の最高地点と最低地点の差は、約30 kmです（標高21.2 kmのオリンポス山頂から、基準面より標高8.2 km低いヘラス衝突盆地底部のバッドウォーター・クレーター[ 19 ]まで）。これに対し、地球の最高地点と最低地点（エベレスト山とマリアナ海溝 ）の差はわずか19.7 kmです。惑星の半径の違いを考慮すると、火星は地球の約3倍「起伏が激しい」ということになります。
国際天文学連合の惑星系命名作業部会は、火星の表面地形の命名を担当している。
火星の地形を観察すると、北半球と南半球の間に大きな違いがあることに気づくでしょう。北半球の大部分は平坦で、クレーターはほとんどなく、一般的な「標高ゼロ」レベルよりも低い位置にあります。一方、南半球は山地や高地が広がり、ほとんどが標高ゼロレベルよりもかなり高い位置にあります。両半球の標高差は1～3kmです 。この2つの地域を隔てる境界は、地質学者にとって非常に興味深いものです。
特徴的な地形の一つは、起伏に富んだ地形である。[ 20 ] そこには、メサ、ノブ、そして高さ約1マイルの壁を持つ平底の谷がある。多くのメサやノブの周囲には、岩で覆われた氷河であることが分かっている葉状の堆積物エプロンがある。 [ 21 ]
その他の興味深い特徴としては、二分法を横切る大きな河川の谷と流出水路が挙げられる。 [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
火星の北半球低地は火星表面の約3分の1を占め、比較的平坦で、時折衝突クレーターが見られる。火星表面の残りの3分の2は南半球高地である。両半球の標高差は劇的である。衝突クレーターの密度から、科学者たちは南半球が北半球平原よりもはるかに古いと考えている。[ 25 ]クレーターが密集している南半球高地の多くは、激しい衝突の時代であるノアキアン 時代に遡る。
その違いを説明するために、複数の仮説が提唱されてきた。最も一般的に受け入れられている3つの仮説は、単一の巨大衝突、複数の衝突、およびマントル対流などの内因性プロセスである。[ 22 ]衝突に関連する2つの仮説はいずれも、原始的な衝突の終結前に起こった可能性のあるプロセスに関係しており、地殻の二分法は火星の歴史の初期に起源を持つことを示唆している。
1980年代初頭に最初に提唱された巨大衝突仮説は、衝突域が放射状ではなく楕円形であったため、懐疑的な見方で迎えられた。円形のパターンであれば、より大きな物体による衝突のより強力な証拠となるからである。しかし、2008年の研究[ 26 ]は、単一の巨大衝突を支持する追加研究を提供した。研究者らは地質学的データを用いて、大きな物体が火星に約45度の角度で衝突したという単一の衝突を支持する証拠を発見した。衝突後のマントル物質の上昇に関する火星の岩石化学の分析による追加証拠は、巨大衝突理論をさらに裏付けるものとなるだろう。
1830年から月面地図の作成を始めたことでよく知られているヨハン・ハインリヒ・メードラーとヴィルヘルム・ベールは、最初の「火星地図作成者」だった。彼らはまず、表面のほとんどの地形が恒久的であることを決定的に証明し、火星の自転周期を特定した。1840年、メードラーは10年間の観測結果をまとめ、史上初の火星地図を作成した。ベールとメードラーは、地図に記した様々な地形に名前を付ける代わりに、単に文字で示した。そのため、メリディアン湾（シヌス・メリディアニ）は「a」という特徴として表された。
その後20年ほどの間に、観測機器の性能が向上し、観測者の数も増えるにつれて、火星の様々な地形には様々な名前が付けられるようになった。いくつか例を挙げると、ソリス・ラクスは「オクルス」（目）として知られ、シルティス・マヨールは通常「砂時計の海」または「サソリ」として知られていた。1858年には、イエズス会士の天文学者アンジェロ・セッキによって「大西洋運河」とも名付けられた。セッキは「地球上で旧大陸と新大陸を隔てる大西洋の役割を果たしているようだ」とコメントした。イタリア語で「水路」または「運河」を意味する運命的な「canale」が火星に適用されたのはこれが初めてだった。
1867年、リチャード・アンソニー・プロクターは火星の地図を作成した。それは、当時入手可能な最良のものであった、ウィリアム・ラター・ドーズ牧師の1865年の初期の図面をやや粗雑に基にしたものであった。プロクターは、自身の命名法について、「火星の物理的特異性を研究した観察者たちの名前を、さまざまな特徴に適用した」と説明した。以下に、彼の名前の一部と、後にスキアパレッリが1877年から1886年の間に作成した火星の地図で使用した名前を対にして示す。 [ 27 ]スキアパレッリの名前は一般的に採用され、今日実際に使用されている名前である。
プロクターの命名法は、主にイギリスの天文学者にちなんだ名前が多かったこと、そして同じ名前を複数回使用したことから、しばしば批判されてきた。特に、ドーズという名前は実に6回も登場する（ドーズ海、ドーズ大陸、ドーズ海峡、ドーズ島、ドーズ二股湾）。とはいえ、プロクターの命名法には魅力があり、欠点はあるものの、後の天文学者たちが改良していくための礎となったことは間違いない。
今日、火星の地形の名前は様々な由来を持つが、大きな地形の名前は主に1886年にイタリアの天文学者ジョヴァンニ・スキアパレッリが作成した火星の地図に由来する。スキアパレッリは、火星の大きな地形に、主にギリシャ神話、そして程度は低いものの聖書から名前をつけた。火星の大きなアルベド地形には、古い名前が数多く残っているが、地形の性質に関する新たな知見を反映して、しばしば更新されている。例えば、「ニクス・オリンピカ」（オリンポスの雪）は、オリンポス・モンス（オリンポス山）となった。
火星の大きなクレーターは、著名な科学者やSF作家にちなんで名付けられており、小さなクレーターは地球上の町や村にちなんで名付けられている。
火星探査ローバーが調査する様々な地形には、探査や調査中に識別しやすいように、一時的な名前や愛称が付けられます。しかし、国際天文学連合が、スペースシャトル・コロンビア号の事故で亡くなった7人の宇宙飛行士にちなんで名付けられたコロンビア・ヒルズなど、特定の主要な地形の名前を恒久的なものにすることが期待されています。
