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作者:Anna Fedorova 來源:《科學》 發布時間:2020/11/16 14:47:01
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塵暴助水“逃離”火星

 

在沙丘、礫石、隕石遍布的火星上,塵暴十分常見。但每隔十年左右,一場不知緣由的可怕塵暴就會席卷整個火星,將其掩埋在漫天塵土下。塵暴還會對火星探測器造成致命威脅,2018年的火星塵暴將美國宇航局的“機遇號”火星探測器太陽能電池板覆蓋在灰塵中,導致其“死亡”。

現在,研究人員稱,除了上述問題,火星塵暴可能還是使這個曾經潮濕的星球失去水分的罪魁禍首之一。

火星表面被侵蝕的河流和三角洲化石表明,數十億年前那里有水奔流而過,而現在其中的大部分以某種方式逃逸到了太空中。但是對于如何逃逸,研究人員百思不得其解,因為水蒸氣在寒冷稀薄的大氣中沒有凝結成雪并落回星球表面是不可能飄到高處的。

近日,發表于《科學》的來自美國宇航局火星大氣和揮發性組分演化探測器(MAVEN)的最新數據,展示了劇烈的火星塵暴是如何將水泵入太空的。“這是使火星干燥的有效途徑。” 俄羅斯科學院空間研究所行星科學家Anna Fedorova說。

目前已知的一個水逃逸的途徑來自太陽紫外線照射,它能將火星表面附近的少量水分解,分解后形成的氫和氧都比火星上主要的二氧化碳氣體更輕,因此滲透到火星大氣層頂部,在那里它們“逃”入太空。但科學家認為這種機制造成的水分流失微乎其微。

2018年火星塵暴為科學家發現另一種水逃逸途徑帶來了線索。那時,美國亞利桑那大學的研究生Shane Stone正在查看來自MAVEN的數據。MAVEN自2014年以來一直在研究火星的高層大氣,當它下降到150公里的最低軌道高度時,一臺MAVEN的儀器直接對薄紗狀的火星大氣層進行了采樣,發現當塵埃在較低高度旋轉時,大量的水正集結到達了大氣層邊緣。MAVEN的發現給Stone和同事帶來了一記重擊。

事實上,早在2014年就有跡象表明塵暴可能以某種方式使水上升,當時兩個研究小組報告了2007年哈勃太空望遠鏡和火星快車軌道飛行器在上一次火星全球塵暴之后進行的紫外線觀測數據,他們注意到高層大氣中有一團氫的熒光霧,隨著火星南半球夏季的結束和塵暴的減弱逐漸消失。而氫的唯一合理來源是水。

自此之后,研究人員又利用MAVEN和歐洲航天局的示蹤氣體軌道飛行器(TGO)上的儀器,發現了火星南半球夏季大氣中水含量高的證據,當時太陽加熱激起了塵埃。Fedorova領導了該項研究,她表示,即使沒有一場全球范圍的塵暴,這一發現也是事實,相關研究今年1月發表于《科學》。

Fedorova和同事認為,太陽暖化的塵埃粒子將熱量輻射到較低的大氣中,推動風吹起更多的灰塵。溫暖的大氣中可以容納更多的水蒸氣,當塵埃旋轉進入高層大氣時,會拖拽著水蒸汽一起上升。

TGO的觀測結果顯示,夏季整個火星南部大氣水分含量逐漸上升,而MAVEN的數據則表明,火星區域和全球性的塵暴導致大氣含水量達到峰值。在2018年火星塵暴開始的前兩天里,高層大氣中的水豐度(通常約為百萬分之三)翻了一番多;到了夏季的高峰期,塵暴和整體氣溫變暖最終將大氣中的水豐度提高至百萬分之六十。

在大氣層的高處,紫外線更容易將水分解,使氫和氧流失到太空中。但Stone和他的同事認為另一種破壞機制占了分解水的主導地位。他們的模型表明,二氧化碳被太陽風中的粒子電離,并轟擊大氣層,從而使水分子分裂加劇。

根據MAVEN團隊計算,如果觀測到的水分損失率在整個火星歷史中持續存在,將失去的水均勻分布于火星表面,可以形成一個深度超過25米的全球海洋。

不過,Stone補充道,對于這種由塵暴驅動的毀滅在火星上運行了多長時間還處于猜測階段,它可能是近期發生的,也可能是數十億年前火星干涸的關鍵。

研究人員認為,火星曾經有一個在其歷史早期就失效了的保護性磁場,它使得太陽風能夠深入火星大氣層,那里全球性的塵暴正在使水分流失。美國科羅拉多大學博爾德分校行星科學家、火星快車探測器領導者Michael Chaffin表示,如今MAVEN觀測到的可能是“行星死亡螺旋”的尾聲。(來源:中國科學報 許悅)

相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.aba5229

https://doi.org/10.1126/science.aay9522

 
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