区域性沙尘暴增强火星向太空的水分流失:研究

根据对三个航天器收集的数据的分析,单个区域的尘埃事件可以使行星上的水分流失增加5到10倍,这是火星大气演化的一个重要驱动因素:美国宇航局的火星勘测轨道飞行器(MRO),欧洲航天局的微量气体轨道飞行器(TGO),美国宇航局的火星大气和挥发演化(MAVEN)轨道飞行器。

这幅艺术家的概念图描绘了今天火星上的干燥环境与早期火星环境的对比。图片来源:西蒙弗雷泽大学。

这幅艺术家的概念图描绘了今天火星上的干燥环境与早期火星环境的对比。图片来源:西蒙弗雷泽大学。

沙尘暴使火星大气层的高度升高,防止水蒸气像往常一样冻结,使其能够到达更远的地方。

在火星的高处,水分子很容易受到紫外线辐射的影响,紫外线将水分子分解成氢和氧等较轻的成分。氢是最轻的元素,很容易消失在太空中,而氧要么逃逸,要么回到地表。

行星科学家们长期以来一直怀疑,火星的大部分水分都是在这个过程中流失的,但他们没有意识到区域性沙尘暴的重大影响,这种情况几乎每年夏天都会在南半球发生。

人们认为,火星上每三到四年就会发生一次的覆盖全球的沙尘暴,以及火星离太阳更近时南半球炎热的夏季是罪魁祸首。但火星的大气层在较小的区域性沙尘暴中也会升温。

在这项新研究中,一个国际研究小组发现,火星在区域性风暴期间损失的水量是没有区域性风暴的南方夏季的两倍。

2019年1月至2月,在一场区域尘暴期间,航天器轨道罕见地汇合,使该团队收集了前所未有的观测结果。

MRO测量了从火星表面到其上方约100公里(62英里)处的温度、尘埃和水冰浓度。

在相同的高度范围内,TGO测量了水蒸气和冰的浓度。

MAVEN还报告了火星最高海拔1000公里(620英里)处氢的含量,这可能会使水分子分解。

“这是第一次如此多的任务集中在一个事件上。我们真的捕捉到了整个系统的运行情况,”科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室的研究员迈克尔·查芬博士说。

TGO光谱仪在沙尘暴开始前探测到了低层大气中的水蒸气。

通常情况下,在火星的一年中,火星大气的温度会随着高度的降低而降低,这意味着大气中上升的水蒸气会在相对较低的高度冻结。

但随着沙尘暴的爆发,大气温度上升,仪器看到水蒸气到达更高的高度。

沙尘暴开始后,这些仪器在中层大气中发现了10倍多的水,这与MRO的红外辐射计的数据正好吻合。

辐射计测量了灰尘在火星上空升起时大气温度上升的情况。

它还看到水冰云消失,正如预期的那样,因为冰无法在较温暖的低层大气中形成。

来自MAVEN的紫外线摄谱仪的图像证实了这一点。他们显示,在2019年的风暴之前,可以看到冰云在火星塔尔西斯地区高耸的火山上空盘旋。

“但当沙尘暴全面展开时,它们完全消失了,沙尘暴结束后又重新出现,”查芬说。

在海拔较高的地方,水汽会被太阳的紫外线辐射分解成氢和氧。

的确,MAVEN的观测显示了这一点,因为它捕捉到上层大气中氢的发光,在风暴期间氢的发光增加了50%。

“这个测量结果与下面100公里处的水膨胀完全吻合,这是氢的来源,”作者说。

一个研究结果发表在杂志上自然天文学

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硕士查尔.区域沙尘暴加剧了火星水向太空的流失。Nat阿斯特朗, 2021年8月16日在线发布;doi: 10.1038 / s41550 - 021 - 01425 - w

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