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火星表面的氣候現狀

11月
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2017

2017年11月14日08時 今日科學 南充天文在線

南充天文在線

火星,是離太陽第四近的行星,為太陽系中四顆類地行星之一。西方稱火星為瑪爾斯,是羅馬神話中的戰神;古漢語中則因為它熒熒如火,位置、亮度時常變動讓人無法捉摸而稱之為熒惑。火星在太陽系的八大行星中,第二小的行星,其質量、體積僅比水星略大。

移除Image Credits: NASA/Viking 1

本圖拍攝於1976年6月,由海盜1火星探測器操作。圖片展示了火星表面稀薄的大氣層和塵土遍布的紅色地表。——圖片來源: (美國)國家航空和航天局的海盜1火星探測器拍攝

基於火星與我們的星球具有諸多共性,它也經常被稱為「孿生地球」。它們都是類地行星、都有極地冰冠;以及兩者一度在各自的地表都有活性大氣和液態水。而在其他方面,兩者則有很大區別。尤其在各自的大氣和氣候方面,火星可以說是與地球截然不同。

舉個例子!每當談到火星的天氣,預測內容通常是都極富戲劇性。不但火星的天氣(Martian weather)日日不同,有時就連每個小時間都變化各異。對於一個表面氣體密度只有地球大氣1%的星球來說,這看起來有點不同尋常。但是當極端天氣和氣象現象來臨時,火星卻實實在在地掌握著主動權。

火星的大氣層

火星的大氣層非常稀薄,包括96% 的二氧化碳、 1.93%的氬和1.89%的氮,附帶些微的氧和水。空氣中布滿了灰塵,包括直徑1.5微米的顆粒。正是這些顆粒將火星表面的天空染成了黃褐色。火星的氣壓在0.4 到0.87 kPa之間,這個數值範圍相當於地球海平面測量值的1% 。

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本圖闡明了甲烷進入和脫離火星大氣層的可能途徑。——圖片來源:(美國)國家航空和航天局NASA/JPL-Caltech/SAM-GSFC/Univ. of Michigan

正是因為火星大氣層如此稀薄,且距離太陽更遠,所以它的地表溫度比我們在地球上所能體驗到溫度的更低。該星球的平均溫度只有-46 °C (-51 °F),冬季時兩極地區的溫度低達 -143 °C (-225.4 °F) ,而夏季正午時分赤道的溫度則高達 35 °C (95 °F)。

由於兩極地區的溫度極低,空氣中25-30%的二氧化碳凝固成了乾冰沉積在地面上。火星極冠地區以水為主,北極區域的乾冰層冬季厚度可達一米;而南極則常年覆蓋著厚達八米的乾冰層。

火星的大氣層里,還探測到了微量的甲烷和氮。對於前者甲烷,發表於2014年12月16日的《好奇號火星探測器監測到的「巔峰成果」》里給出的預估濃度為30ppb。此次監測數據是非常局部的,而且甲烷的來源一直是個謎。
同樣的,氨的來源也無法確定。雖然火山活動可能是原因之一,但這也只是一種提議。

火星那劇烈的沙塵暴氣候也非常有名,範圍涵蓋了從小龍捲風到全球性沙塵現象。以後者為例,這種氣候現象其實就是粉塵被吹到大氣當中,經由太陽光照射而導致溫度升高。較溫熱的粉塵混合空氣上升而且風力越來越強,然後形成了範圍寬達數千公里的沙塵暴,而且每次這種氣候現象都能持續數月。當達到這種規模時,一眼望去沙塵暴幾乎能把火星遮住。

移除Image credits: NASA/JPL-Caltech/MSSS

該圖捕捉到了火星的一次沙塵暴活動——圖片來源:(美國)國家航空和航天局NASA/JPL-Caltech/MSSS

由於空氣稀薄、低溫且缺少磁氣層等原因,火星上不會出現降雨等液體沉澱現象。一般來說,太陽輻射會把大氣里的所有水都會被分解成氫和氧。由於寒冷和稀薄的大氣,使得表面上沒有足夠的液態水來維持一個水循環。

然而有時候大氣中會有薄雲形成,並且以雪的形式降回地面。其中主要成分是「乾冰雪花」,而且已經在極地區域發現該物質蹤跡。不管怎樣,以前人們在火星的上層大氣中也發現過含水凍雲的些微痕跡,但降雪現象則只在高緯度地區。

該現象曾在2008年9月29日被觀測到。當時從在海姆達爾隕石坑附近的著陸點上方4公里(2.5 mi)高的雲層中散落著雪花,而鳳凰號火星登錄器用照片的形式記錄下了這一刻。然而,登錄器收集的數據顯示:降雪在抵達地面之前就已經汽化蒸發了。

火星的極光:

火星也有極光現象,這也是火星磁場和太陽輻射相互作用的結果。雖然火星上可供討論的磁層微乎其微,但科學家們斷定過去監測到的極光與一片區域相對應——即星球局部出現的磁場最強區域。該結論是通過分析火星全球探勘者號勘測出的數據編輯處理出的地殼磁異常圖得出的。

火星的地殼上有磁化的岩石,進而產生了局部的、不完整的磁場(左圖所示)。在右圖中,我們能看出那些區域延伸到了岩石上方的空間。在它們的頂部,極光成型。——圖片來源:(美國)國家航空和航天局NASA

2004年8月14日出現的極光現象就是個有名的實例,而火星快車號宇宙飛船上的火星大氣光譜學特徵調查儀則識別出了它。這次極光現象的發生地位於火星上的西米里亞高地——地理坐標:東177°、南52°;而且它的預估範圍相當可觀,測量數據為橫向30公里、縱向8公里(即橫向18.5英里、縱向5英里)。

最近,又有極光現象被觀測到。它和地球上被發現的極光現象只差一天。觀測設備是執行火星大氣與揮發物演化任務的探測器,它曾拍攝了2015年3月17日的極光圖像。這次極光被戲稱為「火星的聖誕之光」,範圍貫穿火星的中北緯度;而且比起地球上那活力四射的極光,它(由於火星大氣缺乏氧和氮)就像一個暗淡的燭光。

移除Image Credit: NASA

時至今日,負責研究火星大氣、氣候和天氣模式的軌道衛星、探測器和探測車已經多達數十個。它們在崗位上各盡其職,完成著包括美國航空航天局、俄羅斯聯邦航天局,還有歐洲航天局和印度聯邦太空項目發布的任務。其中就包括了執行首次近飛探測火星任務的「水手4號」探測器;這次行動發生於1965年7月14日和15日,共耗時兩天。

後來,水手6號和7號也執行了相關任務(於1969年進行了近飛探測),進而豐富擴展了水手四號收集的原始數據。緊接著又有了海盜1號和2號火星探測器的任務。它們於1976年抵達火星,成為了第一座登陸的航天飛船;而且,還傳回了火星表面的圖像資料。

新世紀來臨之後,已經有六座軌道衛星圍繞火星運行,收集氣象信息:2001火星奧德賽號、火星快車號宇宙飛船、火星勘測軌道飛行器、執行火星大氣與揮發物演化任務的探測器、火星軌道探測器、外火星跟蹤氣體軌道器。它們因為運送探測車和著陸器等(如鳳凰號火星登錄器、勇氣號火星探測器和機遇號火星探測器,以及好奇號火星探測器)執行任務而備受讚譽。

未來,科學家們還會安排其他探測任務,來幫助我們更詳細的了解火星的大氣、氣候和天氣模式。我們的發現會極大程度地揭示出這顆星球的厚重歷史、現狀,甚至有可能有助於我們在那裡創建一個新的未來。

我們在「今日宇宙」網站上完成了很多火星天氣相關的趣文。有《火星與地球的差異》、《火星獨有的氣候現象:二氧化碳雪花飄落在火星上》、《雪花從火星上的雲層飄落》、《重大發現!火星也有極光!》、以及《美國國家航空和宇宙航行局派出執行火星大氣與揮發物演化任務的軌道衛星有了重大發現:太陽風去除火星大氣的舉動導致了巨變》。

更多詳情,請參閱美國國家航空和宇宙航行局的文章《空間氣象對火星的影響》。

在文章的最後,如果您想了解更多火星相關的信息,可以移步播客。我們製作了幾期,播客主題為——火星在天文學的地位:第52章:火星,以及第91章:火星上的水研究。

以上全部內容由我們天文志願團隊翻譯至 https://www.universal-sci.com/headlines/2017/2/3/what-is-the-weather-like-on-mars (作者:馬特·威廉士),也歡迎您加入我們,若有錯誤,歡迎指出。


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