科學家發現火星上新的水循環機制

大約每兩年一次，在火星南半球的夏天，就會打開一扇窗戶：只有在這個季節，水汽才能從下層有效地上升到火星上層。 在那裡，風將稀有氣體帶到北極。 部分水蒸氣衰變並逃逸到太空，其餘部分在極地附近下沉。 來自莫斯科物理科學與技術研究所和德國馬克斯普朗克太陽系研究所（Max Planck Institute for Solar System Research）的研究人員利用電腦模擬顯示水蒸氣如何克服火星中層大氣中的冷空氣屏障，並達到更高的大氣層。 這可以解釋為什麼火星與地球不同，失去了大部分水。

數十億年前，火星是一顆含有豐富水的行星，河流甚至是海洋。 從那以後，我們鄰近的星球發生了巨大變化。 今天，地下只存在少量冷凍水; 在大氣中，水蒸氣僅在痕跡中發生。 總而言之，這個星球可能至少損失了原水的八成。 在火星的高層大氣中，來自太陽的紫外線輻射將分子分裂成氫（H）和羥基（OH）。 氫氣從那裡逃逸到無法挽回的太空之中。 探測衛星和太空望遠鏡的測量顯示，即使在今天，水仍然以這種方式流失。 但這怎麼可能呢？ 火星的中間大氣層，就像地球的對流層頂一樣，實際上應該阻止上升的天然氣。 畢竟，這個區域通常很冷，水蒸氣會變成冰。 火星水蒸氣如何到達上層空氣層？

在他們目前的模擬中，俄羅斯和德國的研究人員發現了一種先前未知的氣泵機制。 他們的模型全面描述了火星周圍整個氣體包層從地表到海拔一百六十公里的流量。 計算結果發現，通常冰冷的中間大氣層每天兩次可透過水蒸氣 - 但僅限於某一地點和一年中的某個特定時間。

原來火星的軌道在這方面起著決定性的作用。 它繞太陽的路徑持續了大約兩年，遠遠超過我們的星球。 在距離太陽最近的地方（大致與南半球的夏季一致），火星距離太陽大約四千二百萬公里，而不是最遠點。 因此，南半球的夏季比北半球夏季明顯更溫暖。當它在南半球的夏天，在一天中的某些時候，水汽可以隨著溫暖的氣團局部上升並到達高層大氣。 在上層大氣層中，氣流沿著縱向極傳輸氣體，在那裡它再次冷卻並下沉。 然而，部分水蒸氣逃離了這個循環：在太陽輻射的影響下，水分子崩解，氫氣逃逸到太空。

另一個火星的特點可以證實這個不尋常的水文循環：巨大的沙塵暴跨越整個星球，並且每隔幾年就會反複出現。 最後一次這樣的風暴發生在2018年和2007年，並由圍繞火星運行的太空船進行了全面記錄。 在這些風暴期間，大氣中的塵埃量會促使水蒸氣進入高空氣層。

研究人員計算出，在2007年的沙塵暴期間，在南半球無風雨的夏季，水蒸氣達到高層大氣的程度是其兩倍。 由於灰塵顆粒吸收太陽光並因此升溫，整個大氣中的溫度上升至三十度。 新的電腦模型以前所未有的精確度展示了大氣中的塵埃如何影響冰變成水蒸氣所涉及的微物理過程。結論是火星的大氣層比地球的大氣更具滲透性，新的季節性水循環已經大量發現火星持續失去水份。

【圖、文：節譯自物理學機構網頁】