尘暴火星

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

火星是一个非常多尘的世界。在过去的数十亿年中，它大部分时间都处于极其干燥和寒冷的状态，其岩石不断侵蚀成微小的颗粒。由于其尺寸小至单个滑石粉颗粒（约 3 微米），并且表面重力低于地球，即使是稀薄的火星大气层也能将这些颗粒扬起到高空。 

大多数时候，灰尘的扬起和重新排列是由在行星表面旋转的尘卷风完成的。在火星上的任何给定时刻，估计都有大约 10,000 个活跃的尘卷风。成像数据可以揭示其中一些在火星地貌上留下的轨迹，而来自着陆器的气压数据也提供了它们发生频率的线索。在单个火星日的过程中，可能会有数百万个这样的旋转的旋风——每个旋风每次出现几分钟。 

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它们不仅维持了大气中的灰尘负荷（其中颗粒有助于温暖空气并影响全球气候），而且还重新排列了灰尘。这有点像拥有一支庞大的、相当无能的清洁工军队，从一个地方吸走灰尘，然后简单地将其沉积在其他地方。与地球不同，地球拥有潮湿的生物圈，可以将灰尘从大气中洗刷掉，并将岩石颗粒结合成土壤和沉积物，火星上的灰尘或多或少是永恒的。

虽然尚未完全理解，但灰尘颗粒的运动似乎也产生电势——可能足以产生类似闪电的放电，并且肯定足以使灰尘对任何机器人或人类探索具有额外的粘性。

但尘卷风通常是高度局部的现象。火星也经历更大规模的沙尘暴。在火星南半球的春季和夏季，恰逢火星椭圆轨道中最接近太阳的时候，风暴很常见。在这个距离上，到达火星的太阳辐射比其离太阳最远时多 45%。

这些季节性风暴有一个双重驱动因素：大气变暖，风力增强，这是由地表温度的更大差异驱动的。南极极冠上冻结的二氧化碳升华，提高了全球大气压。更厚的大气层意味着灰尘颗粒的悬浮时间更长，风暴可以将物质扬起到 60 公里以上的高度。 

更糟糕的是，沙尘暴似乎可能导致火星干涸。颗粒可以将水分子带到足够高的高度，阳光会破坏分子键，氢气逸散到太空，而这些水分子永远无法重新形成。

虽然这些季节性风暴很大，但通常仍局限于特定的地理区域。例如，南部巨大的希腊斯盆地。但大约每 3 个火星年（约 5.5 个地球年），它们可能会爆发成全球性事件——换句话说，给定年份发生全球性事件的概率约为三分之一。即使风速永远不会像地球标准那样令人震惊，可能达到每小时 60 英里（每小时 96 公里），但整个星球也可能在几天之内被灰尘笼罩。 

在我写这篇文章时，火星正处于这样一场全球性风暴之中。“好奇号”和“机遇号”漫游车不得不忍受它——对于太阳能驱动的“机遇号”来说，这是一个比放射性同位素驱动的“好奇号”更大的挑战。事实上，“好奇号”可以在黑暗的天空下继续其探索计划。

多年来，我们已经看到了许多这些全球性事件的例子。也许最令人难忘的一次实际上是第一次近距离观察到的。当“水手9号”成为 1971 年第一个绕另一颗行星运行的探测器时，它恰好在火星完全被沙尘暴覆盖时到达。我之前写过关于这件事的文章，以及任务科学不得不暂停两个月直到风暴消散的情况。

另一次特别大的风暴发生在 2001 年，这次是由美国国家航空航天局的火星全球勘测者号观测到的。在这次风暴中，虽然中低层大气实际上升温了约 40 开尔文，但行星表面温度却骤降了高达 20 开尔文。所有灰尘都阻挡了阳光照射地面。

对于火星表面的机器人或人类来说，这种表面冷却可能极具挑战性，但它也预示着风暴本身的结束。较冷的表面产生的扬起风较少，因此当风暴的存在使地面降温时，它实际上已经注定要结束。

这些全球性风暴最初为什么会在火星上爆发？嗯，我们并不真正了解是什么精确的机制使某些风暴比其他风暴大得多。但是，每次我们有机会目睹一次风暴，我们都可以收集更多数据来探测这个古老、严酷且格外美丽的世界。