火星沙塵季節大氣中水的飽和度分佈

火星探測器在火星表面觀測到了大量河流、湖泊和海洋留下的地質痕跡（上圖）。這說明曾經的火星和地球一樣，有大量的地表水和溫濕的氣候。但現在的火星氣候寒冷乾燥，失去了所有的地表液態水，只有兩極乾冰極蓋區存在少部分冰和大氣中存在少量水蒸氣。火星曾經的湖泊海洋為什麼會消失，那麼多地表水去了哪裡，地球會不會有一天也像火星一樣失去所有的液態水？這些都是我們需要研究清楚的問題。

火星地表水有兩種可能的去向，一是上天逃逸到太空中去了，二是入地變成了地下水。火星大氣和隕石的同位素觀測提供了一個研究線索。火星大氣中的重水（氘）含量要比地球的高。這說明火星大氣丟失了更多質量較輕的普通水，普通水蒸氣比重水水蒸氣更容易到達高空，更容易從太空逃逸，從而形成觀測到的質量分餾。由此推測，火星上的水有一部分是從太空逃逸的。到底逃逸了多少，能否達到一個海洋的水量？要給出定量的結果，需要精細的觀測和細緻的推算。慶幸的是火星的太空水逃逸過程現在仍在發生。火星大氣中還有少量水蒸氣，人造衛星也在火星後方觀測到逃逸出去的水分解物氧離子(O+) 和氫離子(H+) 。因此，可以通過觀察研究現在火星上的水逃逸過程，搞清火星水逃逸的機制、估算火星過去幾十億年逃逸掉的總水量。

火星上的水要達到逃逸速度、脫離火星重力，需要從太陽和火星周圍的高速太陽風那裡獲得足夠的能量和動量。這需要火星上的水首先以蒸氣的形式從地表上行到高層大氣才可以。近期，俄羅斯和歐洲的研究人員發表了一篇火星水蒸氣的高度分佈隨沙塵季節變化的文章。他們採用的是火星探測計劃（Exobiology on Mars，簡稱 ExoMars）微量氣體衛星的觀測，火星探測計劃是歐洲太空總署主持的一項火星生命探索計劃，它的主要目的是尋找火星過去或現在的生命跡象，研究火星的水和地球化學環境變化，以及火星大氣中甲烷等微量氣體的來源。火星探測計劃包括2016 年發射的微量氣體衛星和2020 年發射的火星漫遊車。其中微量氣體衛星上的紅外光譜儀，可以觀測火星大氣主要成分和火星大氣中的塵埃和水冰顆粒的吸收譜線，得到火星大氣的高度剖面圖。

費多羅娃（Fedorova） 等人通過研究2018-2019 火星南半球春夏季期間火星大氣的特徵，發現：

（1）火星在離太陽比較近的軌道時，火星大氣中的水蒸氣會有效地上升到高高度區，即使大氣中有大量顆粒氣溶膠，火星高層大氣仍保持著水氣飽和狀態，這種現象顯示火星水逃逸可能比之前認為的還要多；
（2）處於春夏季節的南半球要比處於秋冬季節的北半球濕潤很多；
（3）在兩次大沙塵暴期間，火星大氣都出現了大量水蒸氣急速上升到一百公里高度的現象。

分析認為，儘管火星全球性沙塵暴會影響水氣上行，但這種沙塵天氣出現頻率不規律，總體不會對火星水逃逸量有大的影響。近日軌道的區間和季節的重複性，決定了它們才是控制火星水氣上行的有效因素。因此，火星在近日軌道的季節變化，是火星水逃逸總量的一個重要控制因素。 　　

【圖、文：節錄自中國科學院地質與地球物理研究所網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的《科學》期刊