火星上的水可能是被沙尘暴吹走的吗?

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  尘埃不仅仅是家务中的麻烦事,对一颗行星来说更是一件麻烦事,尤其是对火星而言。

  2018年夏天,火星全球性的沙尘暴使得阳光连续几周无法照射到火星表面,导致美国宇航局(NASA)心爱的“机遇号”火星车(Opportunity rover)无法正常工作。但这也是人类第一次拥有8颗探测器正在环绕火星轨道运行或在火星表面漫游,可以称得上是迄今为止观测火星沙尘暴的最大规模机器人探险队伍了。

  

  图片显示了“好奇号”拍摄的火星日2075至2170间的沙尘暴变化

  (地球时间为2018年6月8日至9月13日)

  图片来源:NASA/JPL-Caltech/York University

  来自全球的科学家仍在分析获得的大量数据,但初步报告中已经包括了对大规模沙尘暴如何影响古代火星上的水、风和气候的认识,以及它们如何影响未来的天气和太阳能等分析。

  火星上沙尘暴其实很常见,尤其是在南半球的春季和夏季。它们通常会持续几天,可以覆盖大约地球上美国大小的区域。但是大型的、甚至能笼罩星球的沙尘暴是不可预测的,有时会持续数月之久。对此,NASA戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的大气科学家Scott Guzewich说,根据之前的研究结果,人类仍然不知道是什么导致了这种变化,但2018年的沙尘暴将会提供另一个角度来分析这个问题,这也是这次联合观测的意义所在。

   有可能是全球性沙尘暴吹走了火星的水吗?

  科学家们已经发现了大量的证据,证明火星在数十亿年前就有河流、湖泊,甚至可能有海洋。目前可观测到干涸的河床、古老的海岸线,以及含盐的表面化学物质,都是线索和证据。但是为什么大部分的水都消失了呢?是怎样消失的呢?全球性的沙尘暴可能会给我们一个解释。

  

  火星的盖尔环形山内鹅卵石。这是好奇号火星车登陆火星的第2356个火星日拍摄的。

  图片来源:NASA

  戈达德太空飞行中心的火星水循环专家Geronimo Villanueva与欧空局和俄罗斯宇航局的同事一起工作,确认了火星上剧烈的全球性沙尘暴能够将一般处于海拔20公里高度的水蒸气提升到至少海拔80公里。NASA的火星勘测轨道飞行器在2007年也观察到了类似的现象。

  而通过将水推动到高层大气,全球沙尘暴可能会干扰星球的水循环,阻止水凝结并回落到地表。在地球上,水以雨或雪的形式回落,同样的过程可能在数十亿年前的火星上也存在着。

  在火星大气特别稀薄的高海拔地区,太阳辐射很容易穿透并击碎水分子,并将其组成元素吹入太空。Villanueva和他的同事还推测,当把水分子直接带到大气层较高的地方,它也会更容易被吹走。

  4月10日,Villanueva和他的同事在《自然》杂志上发表报告称,他们利用欧空局和俄罗斯宇航局管理的ExoMars微量气体跟踪轨道器(ExoMars Trace Gas Orbiter),发现了水蒸气消失的证据。该轨道器在2018年沙尘暴前后测量了不同海拔高度的水分子,让科学家第一次发现,所有类型的水分子(包括轻的和重的)都达到了上层大气的“逃逸区域”,这对于回答“火星水是如何消失的”非常重要。Villanueva强调,现在科学家们在预测过去火星上有多少水在流动以及水消失需要经历多长时间的时候,必须把这些新信息考虑进去。

  

   ExoMars微量气体跟踪轨道器。图片来源:ESA

   全球性沙尘暴似乎并没有显著重塑火星上的沙丘

  

  火星表面被不断移动的沙子覆盖,这些沙子是由火星风吹来的。这创造出一个不断变化的沙漠景观,并且有多样的、引人注目的沙丘。火星上到处都有这种松散的沙堆,高度从几十英尺到比地球上一些最高的摩天大楼还要高。图片来源:NASA/JPL/University of Arizona

  对于跟踪沙丘在地表移动的科学家来说,全球性沙尘暴为他们研究火星上的风的形态提供了重要证据。科学家们曾经认为,只有全球性沙尘暴期间的强风才能移动火星上广阔的沙丘,因为火星的大气层非常稀薄,每小时160公里的风就像微风一样。然而,数十年来从轨道器和着陆器上传回的图像让研究人员惊喜地发现,火星上的沙子一直在移动,这意味着它并不需要强风才能移动。

  

  自2006年以来,火星勘测轨道器上的HiRISE仪器已经在收集火星的图像了。图片来源:NASA

  现在,科学家们终于可以通过NASA的“好奇号”火星车从地面观测到一场全球性沙尘暴,他们注意到火星风的另一个令人惊讶的特征是,强风似乎不会比正常情况下更频繁地移动沙子。约翰霍普金斯大学的博士生Mariah Baker帮助跟踪了火星沙坡的变化,她表示,这些发现实际上增加了“风在火星上如何表现”的谜团。

  正在进行的对整个火星的分析将揭示“好奇号”所在的盖尔陨石坑是否独一无二。因为沙尘暴的中心所在是机遇号的位置,而它在远离“好奇号”的另一端漫游,与“好奇号”的数据可以相互对比。此外,科学家也指出,盖尔陨石坑内的风可能由于地形而会有不同的表现。

  Baker解释说,如果在沙尘暴期间火星上的沙丘并没有发生太大的变化,那可能就是因为在大气中吹起尘埃的风与地表上的风并不相同。一些科学家认为,在全球性沙尘暴风暴期间,如果灰尘被抬升到大气中,就会阻碍阳光到达地表,进而靠近地表的位置并不刮风。而在正常情况下,大气和地表之间的温度波动是会形成风的。不管最终是什么原因,对沙丘的运动的理解都将会帮助我们揭示火星的古代气候。

   沙尘暴会让能够清洁火星车的尘卷风消失

  尘卷风是旋转的空气和尘埃,在火星上很常见。当来自地表的热空气上升时,它们就会形成一股气流,进而形成旋风,这就是尘卷风。这些尘卷风在经过探测器时能够帮助清除太阳能电池板上的灰尘,比如“洞察号”(InSight)身上发生的经历。因此,了解尘卷风的发生频率非常重要。

  

  不同火星日洞察号探测器的太阳能板。图片来源:NASA

  “好奇号”由一枚核电池提供动力,它可以在“机遇号”休眠时收集数据,而“机遇号”的太阳能电池板只能接收到极少的阳光。通过“好奇号”,我们了解到尘卷风会在持续数月的沙尘暴出现的时候消失,而这个时候正是最需要尘卷风的时候。这是由于上文提到的风被中断而产生的,它也可能会影响沙丘的移动。

  Guzewich最后说,了解火星全球性沙尘暴对尘卷风的影响对于规划未来火星任务中如何为设备提供动力非常重要。在下一次尘卷风吹过并将着陆器清理干净之前,着陆器必须准备好独自支撑一段时间。

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