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科学家试图了解水在火星上流动了多长时间以及它是如何流失的
时间:2021-08-30 14:28:41

火星科学家长期以来一直怀疑,这颗曾经像地球一样温暖湿润的红色星球,已经失去了大部分的水,并其可能已“逃逸”到外太空。由于水是我们所知的生命的关键成分之一,科学家们一直试图了解它在火星上流动了多长时间以及它是如何流失的。现在,由科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室(LASP)的研究员Michael Chaffin领导的一项新的 《自然-天文学》 研究表明, 区域性沙尘暴在使红色星球干燥方面可以发挥重要作用。

尽管像Chaffin这样的火星科学家已经假定,通常每 隔一到三年就会发生的全球性沙尘暴,以及南半球炎热的夏季,在干燥的红色星球上发挥了作用,但他们没有他们所需要的测量来把整个情况联系起来。但是在2019年1月和2月,来自三个围绕火星运行的航天器的巧合观测使一个国际研究小组在一次区域性沙尘暴期间收集到了前所未有的数据。结果表明,火星在这些风暴期间损失的水量是平静时期的两倍。

“直到现在,火星科学家还没有意识到区域性沙尘暴对火星大气有多大的影响,”Chaffin说。

该研究的发现表明,随着沙尘暴对大气层的“加热”,产生的风将水蒸气弹射到比平时高得多的海拔高度。在这些最高的高度,火星的大气层是稀疏的,水分子更容易受到紫外线辐射的影响,紫外线辐射会把它们分解成较轻的成分氢和氧。最轻的元素,氢,然后很容易流失到太空。Chaffin说:“你要永久地失去水,只需要失去一个氢原子,因为这样氢和氧就不能重新组合成水。因此,当你失去了一个氢原子,你就失去了一个水分子。”

如果没有航天器上四个仪器的同时测量,这项研究是不可能完成的。NASA的火星勘测轨道飞行器( MRO)测量了从表面到约100公里以上的温度、灰尘和水冰浓度。在同一高度范围内,欧空局(ESA)的微量气体火星轨道器测量了水蒸气和冰的浓度,而NASA的MAVEN航天器上的成像紫外线光谱仪通过报告火星大气层中最高高度的氢气量,即离该星球表面1000公里的高度,为测量画上了句号。

这是第一次有这么多任务集中在一个单一事件上。“我们真正抓住了整个系统的行动,”Chaffin说。

NASA戈达德太空飞行中心的火星水专家、Chaffin论文的共同作者Geronimo Villanueva说:“这篇论文帮助我们实际上回到了过去,并说:‘好吧,现在我们有另一种失去水的方式,这将帮助我们把我们今天在火星上的这点水与我们过去的巨大水量联系起来’。”

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来自MAVEN的成像紫外光谱仪的图像证实,在2019年的沙尘暴之前,可以看到冰云在火星Tharsis地区高耸的火山上方盘旋。Chaffin解释说,由于冰在温暖的表面附近无法再凝结,这些云 “在沙尘暴全面展开时完全消失了”,然后在沙尘暴结束后重新出现。

综合观测结果显示,在沙尘暴开始之前,低层大气中有水蒸气。随着沙尘暴的增加,加热大气层并产生风,仪器看到水蒸气被弹射到高空。微量气体轨道器在沙尘暴开始后发现中层大气中的水多了10倍,这与火星勘测轨道器上的红外辐射仪的数据正好吻合。MAVEN在离地表650英里处的观测结果也是如此,显示风暴期间氢气增加了50%。

总的来说,来自这三个航天器的数据清楚地描绘了区域性沙尘暴如何帮助火星水的逃逸。 Villanueva说:“这些仪器都应该讲述同样的故事,而且它们确实如此。”

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“我很荣幸能够领导这个出色的国际团队,并帮助将这一结果公之于众。”Chaffin说:“像这样的研究表明了跨任务和国际合作的力量,以推动火星科学的发展。”

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