2.望远镜观测的先驱

1610年，意大利帕多瓦的伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）将望远镜对准火星，成为第一个观测火星的人，但在当时， 他几乎无法分辨出火星是一个圆盘。

弗朗西斯科·丰塔纳（Francesco Fontana）是意大利那不勒斯的律师，1636年，他首先分辨出了火星的圆盘。两年后，他指出，火星盘正处于盈凸相位。只可惜，他识别出来的这种特征，实际上是由于望远镜的光学缺陷导致的。

据可靠的历史记录，第一个标记出火星盘的，是那不勒斯的达尼埃罗·巴托利（Daniello Bartoli），于1644年完成，但巴托利并没有把火星盘画下来。

1651年，意大利博洛尼亚大学的教授乔瓦尼·巴特斯达·里奇奥利（Giovanni Battista Riccioli）和他的学生弗朗西斯科·格里马尔迪（Francesco Grimaldi），看到了火星“反照率”（亮度）变化。1657年火星冲日，他们又一次观测到这一现象，但也没有画下来。

自转的球体

第一位在火星上识别出一些特征的，是荷兰的眼镜制造商克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）。1659年11月28日至12月1日，他利用正好有显著的V形黑斑穿过圆盘中心的时机，开展观测，得出了结论：“（火星上的）白天和黑夜的长度，与我们地球上差不多。”当火星从地球上空穿越的轨迹出现逆行时，他测量了火星的自转周期。这是人类对火星本身性质的第一个发现。

火星的视直径

地球和火星绕太阳运行的轨道都是椭圆形的，但火星轨道的偏心率更大。因此，虽然都是火星冲日，两颗行星间的距离变化却很大，火星的视直径也是如此。火星冲日时，两颗行星之间的最近距离约为5570万千米。火星的平均直径为6770千米，因此，火星的视直径最大为25.1角秒。

相比之下，月球绕地球沿着椭圆轨道运行时，视直径在29.3角分到34.1角分之间，月球的视直径比火星宽约75倍。因此，观测火星盘时，我们必须使用望远镜才能看到。

1666年3月火星冲日期间，乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）在意大利博洛尼亚观测火星，绘制了一系列地图，展现出火星表面特征的显著变化。他曾经极力宣称，如果从远处看地球，海洋会显得很黑，陆地则显得很明亮，因此，火星应该也是这样的。虽然当时火星在远日点冲日，无法对这一现象做出说明，但卡西尼仍然测定了火星的自转周期。连续观测数夜后，他注意到，火星的自转速度比地球略慢。经过38天的观测，卡西尼根据火星表面的某个特征回到同一位置的时间，计算出火星的自转周期为24小时40分。因此，每隔669个火星日（即如今的火星日）为一个火星年。

卡西尼在1666年的报告中指出，他在火星南极看到了模糊的白冠。1672年，发生近日点的火星冲日时，惠更斯观测到了明显的白冠。

克里斯蒂安·惠更斯用长焦距的“空中望远镜”观测火星。左上角的草图，分别是惠更斯于1659年（上）、1672年（中）和1683年（下）绘制的火星。

火星的相位

火星冲日时，我们可以看到，它的整个盘面都被照亮了。而火星位于火星冲日这条直线上的任何一侧时，我们都能看到它的前侧半球或后侧半球的晨昏线（即日出或日落时刻），使火星盘也有了“相位”。

火星在轨道上离地球最远时，很像月球在满月前三天的样子。这种情况发生在地球上的黎明或黄昏时，也就是日落后或日出前不久。

1672年，年轻的吉安科莫·菲利普·马拉尔迪（Giancomo Filippo Maraldi）观测火星，此后时机适宜时再次进行观测。关于火星的总体特征，他写道：“一直以来，用大型望远镜观测火星盘时能看到斑块，但我们未能明确确定它们的位置，实际上，它们的形状经常变化，不仅会从一个地方移到另一个地方，而且每个月看到的样子都与之前看到的不同。”这说明，我们观测到的火星表面的许多反照率特征，实际上是风暴中的云。“尽管存在很多变化，但暗斑的持续时间很长，我们可以一直跟踪它们，确定火星的自转周期。”最终，他的观测结果证实了卡西尼观测到的火星自转周期。

1704年，近日点火星冲日时，马拉尔迪观测到火星南极冰盖的位置有了微小变化，这表明，南极冰盖并没有精确聚焦到自转轴的极点上。他还观测到，南极冰盖的面积随时间而变化。1719年，马拉尔迪终于等到了观测火星最有利的位置，发现南极冰盖消失了一段时间。1716年，他在火星北极发现了小块的白色区域，是观测到北极冰盖的第一人。

极地冰盖的变化，说明火星上存在季节变化。

至此，用望远镜研究火星的最初阶段告一段落。因为此后在1734年、1751年和1766年对近日点火星冲日的观测，都没有引起争议。很显然，火星的自转速率比地球略慢，极地冰盖会暂时出现，还有一些半永久性的反照率特征，以及一些看起来变化无常、像地球大气一样的现象。

卡米尔·弗拉马利翁（Camille Flammarion）对火星某半球的观测显示，从地球上看，火星的自转轴不断变化，有时会偏向其中的一个极点，有时不偏向其中任何一个极点。