大約每隔兩年，當(dāng)火星南半球進(jìn)入夏季時(shí)，就會(huì)有一扇窗打開：只有在這個(gè)季節(jié)，水蒸氣才能有效地從火星低層上升到高層大氣中。在那里，風(fēng)把稀有氣體帶到北極。

當(dāng)部分水蒸氣衰變并逸入太空時(shí)，其余的水蒸氣則在兩極附近下沉。來自莫斯科物理技術(shù)研究所和德國(guó)馬克斯普朗克太陽系研究所(MPS)的研究人員在發(fā)表在新一期的《地球物理研究快報(bào)》上描述了這種不同尋常的火星水循環(huán)。計(jì)算機(jī)模擬顯示，水蒸氣是如何克服火星中層大氣中的冷空氣屏障，到達(dá)高層大氣。

這可以解釋為什么火星和地球不同，它失去了大部分水分。數(shù)十億年前，火星是一個(gè)富含水的星球，有河流，甚至海洋。從那時(shí)起，我們地球的鄰居火星發(fā)生了巨大變化。今天，只有少量冷凍的水存在于地下；在大氣中，水蒸氣只存在于微量中?？偠灾?，可能已經(jīng)失去了至少80%的原始水源。在火星高層大氣中，來自太陽的紫外線將水分子分解成氫(H)和羥基自由基(OH)。氫從那里無可挽回地逸入太空。太空探測(cè)器和太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量顯示，即使在今天，水仍然以這種方式流失。

但這怎么可能呢？

火星中層大氣，就像地球的對(duì)流層頂一樣，應(yīng)該會(huì)阻止上升氣體。畢竟，這個(gè)地區(qū)通常很冷，水蒸氣會(huì)變成冰?；鹦撬魵馐侨绾蔚竭_(dá)上層大氣！在目前的模擬中，俄羅斯和德國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)了一種以前不為人知的機(jī)制，讓人聯(lián)想起一種泵。模型全面地描述了從火星表面到160公里高度的整個(gè)環(huán)繞火星氣膜的流動(dòng)。計(jì)算結(jié)果表明，正常情況下冰冷的中層大氣一天能滲透兩次水蒸氣，但只在一年的某個(gè)時(shí)間和某個(gè)地點(diǎn)?；鹦擒壍涝谄渲衅鹬鴽Q定性作用，圍繞太陽運(yùn)行的軌道，持續(xù)大約兩個(gè)地球年，比地球的軌道橢圓得多。

在離太陽最近的地方(與南半球的夏季大致重合)，火星比其最遠(yuǎn)的地方離太陽近4200萬公里。因此，南半球的夏天明顯比北半球的夏天暖和。英國(guó)國(guó)會(huì)議員保羅?哈托在總結(jié)新研究結(jié)果時(shí)表示：南半球的夏季，在一天中的某些時(shí)候，水汽會(huì)隨著較暖氣團(tuán)在局部上升，并進(jìn)入高層大氣。在上層大氣中，氣流將氣體沿經(jīng)度帶到北極，在那里氣體冷卻并再次下沉。然而，部分水蒸氣逃脫了這個(gè)循環(huán)：在太陽輻射的影響下，水分子分解，氫逸入太空?；鹦橇硪粋€(gè)特性可以加強(qiáng)這種不尋常的水循環(huán)：跨越整個(gè)星球的巨大沙塵暴，每隔幾年就會(huì)反復(fù)襲擊火星。最近一次這樣的風(fēng)暴發(fā)生在2018年和2007年，并被環(huán)繞火星的太空探測(cè)器全面記錄下來。

國(guó)會(huì)議員亞歷山大?梅德韋杰夫表示：在這樣一場(chǎng)風(fēng)暴中，大量的灰塵在大氣中盤旋，這有利于水蒸氣進(jìn)入高層大氣。研究人員計(jì)算出，在2007年沙塵暴期間，進(jìn)入高層大氣的水蒸氣是南半球無風(fēng)暴夏季的兩倍。由于塵埃顆粒吸收陽光并因此升溫，整個(gè)大氣層的溫度上升了30度。這項(xiàng)新研究的第一作者、莫斯科物理與技術(shù)研究所的德米特里?沙波什尼科夫(Dmitry Shaposhnikov)解釋說：我們的模型以前所未有的精確度展示了大氣中塵埃如何影響冰轉(zhuǎn)化為水蒸氣的微物理過程。很明顯，火星大氣層比地球更容易滲透水蒸氣，新發(fā)現(xiàn)的季節(jié)性水循環(huán)在很大程度上導(dǎo)致了火星的持續(xù)失水。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

參考期刊文獻(xiàn):《地球物理研究快報(bào)》

DOI: 10.1029/2019GL082839

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