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太阳如何“抽取”火星上的水

Moscow Institute of Physics and Technology

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IMAGE: 大气层中水蒸气的浓度与太阳经度、距地面高度和地理纬度的依赖性。 view more 

Credit: 向下流动是以蓝色显示的,向上流动是以红色显示的。

俄罗斯和德国的物理学家对火星轨道器的新数据提供了解释。火星轨道器记录了氢原子从大气上层到外层空间的“逃逸”。所开发的模型与观测结果非常符合,使我们能够解释火星在大气层中的许多之前难以理解的现象。研究是在Geophysical Research Letters杂志上发表的。

火星的大气层寒冷而稀薄,这些就像地球的大气层。在这种条件下,水不是处于液相的,而是形成由小冰晶组成的云彩。在地球上,这种云彩在离地面6公里的高度而出现,叫做卷云。由于上述的小晶体相当重,大部分水集中在大气下层,其厚度约为60公里。然而,来自美国MAVEN(是缩写,全称为Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN,中文翻译为“火星大气和挥发物质的进化”)轨道器和“哈勃”空间望远镜的数据表明了离开火星的氢原子的周期性流动。这些氢原子的唯一来源可能是水,在大气层上方(距地面70~80公里)受紫外线辐射的作用分解成氧气和氢气。

科学家们提供了水如何被“投掷”到看似不可到达的高度的有关假定。

根据观测的结果,飞往外层空间的氢原子数量在南半球的夏至和沙尘暴期间而增加。此外,大气上下层中的水浓度是同时波动的。在这方面,物理学家们提出了假设说,应该有某种把水向上“抽”的“泵”,并用数值模型解释了其性质。

模型的基础是在马克斯·普朗克研究所(德国哥廷根)开发的火星大气环流模型(全称为Martian general circulation model,缩写为MPI-MGCM)。它详细描述了水从表面到热层(是气温随高度而下降的大气层之一)的传递,并考虑了沙尘暴的影响。此前,莫斯科物理技术学院的科学家们及其德国和日本的合著者提出了一个描述火星大气中水蒸气和冰一年间分布情况的模型。该模型也成为了所发生过程的更加通用的描述的一部分。与之前所进行的研究不同,新的模型考虑了水的光分解过程。

抟风

由于在火星大气中发生的过程具有明显的季节性,因此通常需要指定某种事件正发生的时间段。在地球上,我们只需要指定某个日期,比方说,3月20日,即春分之日。不过,尽管科学家们为火星开发了专门的日历(称为大流士火星历),包括24个月,每个月持续27~28天,但它用起来不是很方便的。听起来“双鱼座月份的第二十天”这句话很不容易明白,说的是哪个半球的哪个时间。在实践中,最方便的不是说日期,而是说火星正在所在的运转轨道上之点。为了这一点,我们应该使用太阳经度(见图1)。

模拟结果显示,大气层中的水浓度一年中的变化很大,太阳经度在200°~300°之间,火星通过近日点(距离太阳最近的轨道上之点),使水浓度达到最高值(见图2)。

“Ls = 260°的,水蒸气流最大,该太阳经度相当于南半球夏天,在此期间,火星上的平均气温也最大。在Ls = 220°~300°的时期内,火星表面上的冰层在南纬地区进入强烈升华阶段,在高度低于40公里时,所形成的水以水蒸气为形式,而在上方之处就形成冰云。”——上述文章的主导作者,莫斯科物理技术学院应用红外光谱实验室的研究员德米特里·沙波什尼科夫说道。

沿着子午线吹来的季风将热量和水分从“夏”半球传递到“冬”半球。在高度超过120公里分布的流量显示,在下纬度及紧靠的中纬度地区也有他种风,但这些风对整体情况的贡献没那么大。

大部分水集中在大气下层的高度不超过30公里之处,不过计算显示,水还可以进入处在南纬20°至70°之间向上的小水蒸气流,从而“泄漏”到大气上层中。该水蒸气流只在近日点时期存在,是一种“瓶颈”现象(见图2c)。如果水能够克服它,季风将把它带到北方,带到极地。在途中,一些H2O会在紫外线辐射的作用下分解成氢气和氧气,主体则随着正冷却的空气再次下降到大气下层,并在靠近北极的地区进行凝结。火星的北极帽就是这样形成的(南极的小多了)。

沙尘跟雾

有时覆盖整个星球的沙尘暴,也会自然地影响到水循环,影响方式相当复杂。第一、污染的空气更热,防止水凝结。第二、小冰晶更容易在沙尘颗粒上形成(沙尘作为新相的核心),因此形成的云彩就更多了。第三、沙尘暴影响到沿着经线循环的气流。

为了研究强沙尘暴的影响,采用了在第28个火星年(自1955年4月11日起计算),地球上是2006至2007年近日期间发生的全球沙尘暴的参数。模拟结果显示,在此期间南极气温提高了20°C,北极气温则提高了45°C多。从极到极刮的风也增加了。

德米特里·沙波什尼科夫解释道:“在北方,大气层升温更加强烈,原因是到那里的来自南方的气流先冷却下来,再降到行星表面,程度很强烈,同时将后来转为热量的能量而传递至火星表面(见图3)。我们的计算显示,沙尘暴期间提高的气温,会使水蒸气的浓度和气流循环的强度都增加。”

高于正常的水含量使水圈的厚度从60公里增加至70公里。冰云同时变得更加密集,其位置变得更高。由于沙尘颗粒数量的增加,空气中就形成大量的小冰晶,其沉降速度比大冰晶慢。因此,冰云在沙尘暴期间的位置更高,使其含有更多的水分。这样,沙尘在空气中的高含量,有助于水克服“瓶颈”,并进入大气上层。

太阳是涨潮的主宰者吗?

说到地球,涨潮和退潮由月球来控制。因为火星的两个卫星(即火卫一和火卫二)太小,所以它们不会产生重大的影响。太阳则对火星的影响最大,它的吸引力甚至会影响到水蒸气。结果,白天我们可以看到“退潮”,即是水蒸气向上流的形成,晚上则可以看到水蒸气向下流的形成,即是“涨潮”(见图4)。

“太阳就像白天‘启动’的泵一样,帮助水克服达60公里的距地面高度。沙尘暴期间,空气中水分的浓度和空气流动的速度高一些,所以所谓的“泵”能够将水升至更大的高度。”德米特里·沙波什尼科夫解释道。

我的朋友,实践出真知......

以评估模型的充分性,作者将所得的结果与第28个火星年由火星勘测轨道器(英文为Mars Reconnaissance Orbiter,缩写为MRO)收集的数据进行了比较。模拟和实验结果均显示了大气层中水的浓度在近日期间会增加(见图5)。不幸的是,MRO直接在全球沙尘暴期间以及在大于80公里的高度进行的测量都没有成功。然而,在适合MRO进行测量的最大高度(约为70-80公里)测量和计算的水蒸气浓度值原来是大致相同的,为70至80立方厘米/立方米。

紧接在全球风暴开始之前在高度为40-50公里之处进行的夜间测量结果(Ls = 200°~250°)也显示出与模拟结果差不多一致的数字,表明向下水蒸气流中的水浓度增加了。不过,值得注意的是,根据MRO提供的数据,水浓度在高度为40-50公里之处最大,但按照模型的参数,浓度会随着高度的减少而降低。可能是因为模型所设置的尘粒根据尺寸的分布情况与实际的分布情况有所不同。模型还预测Ls = 330°后大气层中水含量会急剧下降,但这种假定没有由实验数据证明。

不过呢,水浓度分布情况的实验及计算数字与季节的依赖性非常相似(见图5)。两者都表明火星上水循环中存在着“瓶颈”现象,也表示水只能在近日期间的一定时间内克服它。近日期间正好在沙尘暴期间发生,通过的概率则会增加。

“新的模型与观测结果相适应,使我们能够解释火星大气层中的一系列现象(如在距地面高度为80多公里之处存在的水蒸气、季节性波动、沙尘暴的影响、太阳潮的影响等),并可用于测试新的假设。”上述研究的作者之一,莫斯科物理技术学院应用红外光谱实验室主任亚历山大·罗金评论道。他还补充说:“我们期待着俄罗斯光谱测定装置(ACS)在“ExoMars”国际项目框架下能够提供的数据,因为其能力比我们所依赖的MRO设备广得多。此外,该研究表明,在地球极地地区所发生的过程对全球气候的影响有多么重要。这完全可以适用于我们的地球。”

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用模型所得的数据都上传于https://mars.mipt.ru/,欢迎在线查看。

这项工作得到了俄罗斯科学基金会的支持。

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