研究稱火星沙塵暴在乾燥的紅色星球上發揮了巨大作用

火星科學家長期以來一直懷疑,這顆曾經像地球一樣溫暖濕潤的紅色星球,已經失去了大部分的水,並其可能已“逃逸”到外太空。由於水是我們所知的生命的關鍵成分之一,科學家們一直試圖了解它在火星上流動了多長時間以及它是如何流失的。現在,由科羅拉多大學博爾德分校大氣和空間物理實驗室(LASP)的研究員Michael Chaffin領導的一項新的《自然-天文學》研究表明,區域性沙塵暴在使紅色星球乾燥方面可以發揮重要作用。

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儘管像Chaffin這樣的火星科學家已經假定,通常每隔一到三年就會發生的全球性沙塵暴,以及南半球炎熱的夏季,在乾燥的紅色星球上發揮了作用,但他們沒有他們所需要的測量來把整個情況聯繫起來。但是在2019年1月和2月,來自三個圍繞火星運行的航天器的巧合觀測使一個國際研究小組在一次區域性沙塵暴期間收集到了前所未有的數據。結果表明,火星在這些風暴期間損失的水量是平靜時期的兩倍。

“直到現在,火星科學家還沒有意識到區域性沙塵暴對火星大氣有多大的影響,”Chaffin說。

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該研究的發現表明,隨着沙塵暴對大氣層的“加熱”,產生的風將水蒸氣彈射到比平時高得多的海拔高度。在這些最高的高度,火星的大氣層是稀疏的,水分子更容易受到紫外線輻射的影響,紫外線輻射會把它們分解成較輕的成分氫和氧。最輕的元素,氫,然後很容易流失到太空。Chaffin說:“你要永久地失去水,只需要失去一個氫原子,因為這樣氫和氧就不能重新組合成水。因此,當你失去了一個氫原子,你就失去了一個水分子。”

如果沒有航天器上四個儀器的同時測量,這項研究是不可能完成的。NASA的火星勘測軌道飛行器( MRO)測量了從表面到約100公里以上的溫度、灰塵和水冰濃度。在同一高度範圍內,歐空局(ESA)的微量氣體火星軌道器測量了水蒸氣和冰的濃度,而NASA的MAVEN航天器上的成像紫外線光譜儀通過報告火星大氣層中最高高度的氫氣量,即離該星球表面1000公里的高度,為測量畫上了句號。

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這是第一次有這麼多任務集中在一個單一事件上。“我們真正抓住了整個系統的行動,”Chaffin說。

NASA戈達德太空飛行中心的火星水專家、Chaffin論文的共同作者Geronimo Villanueva說:“這篇論文幫助我們實際上回到了過去,並說:‘好吧,現在我們有另一種失去水的方式,這將幫助我們把我們今天在火星上的這點水與我們過去的巨大水量聯繫起來’。”

來自MAVEN的成像紫外光譜儀的圖像證實,在2019年的沙塵暴之前,可以看到冰雲在火星Tharsis地區高聳的火山上方盤旋。Chaffin解釋說,由於冰在溫暖的表面附近無法再凝結,這些雲 “在沙塵暴全面展開時完全消失了”,然後在沙塵暴結束后重新出現。

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綜合觀測結果顯示,在沙塵暴開始之前,低層大氣中有水蒸氣。隨着沙塵暴的增加,加熱大氣層併產生風,儀器看到水蒸氣被彈射到高空。微量氣體軌道器在沙塵暴開始后發現中層大氣中的水多了10倍,這與火星勘測軌道器上的紅外輻射儀的數據正好吻合。MAVEN在離地表650英里處的觀測結果也是如此,顯示風暴期間氫氣增加了50%。

總的來說,來自這三個航天器的數據清楚地描繪了區域性沙塵暴如何幫助火星水的逃逸。 Villanueva說:“這些儀器都應該講述同樣的故事,而且它們確實如此。”

“我很榮幸能夠領導這個出色的國際團隊,並幫助將這一結果公之於眾。”Chaffin說:“像這樣的研究表明了跨任務和國際合作的力量,以推動火星科學的發展。”