火星大氣消失之謎

鄭永春

2015年11月，美國國家航空航天局（NASA）公開發(fā)布了馬文號關(guān)于火星大氣探測的“重要發(fā)現(xiàn)”，是繼發(fā)現(xiàn)火星液態(tài)水存在的證據(jù)之后，又一振奮人心的消息。那么，這個“重要發(fā)現(xiàn)”究竟有多大含金量？不賣關(guān)子了，讓筆者為您娓娓道來。

經(jīng)過幾十年的火星探測，許多新發(fā)現(xiàn)不斷沖擊著人類的想象力，給我們帶來探索未知世界的驚喜。我們越是了解火星，對火星內(nèi)部、火星表面和火星大氣之間的相互聯(lián)系就越清晰。火星是否具有適合人類移居的潛力？火星上是否存在液態(tài)水？火星氣候是如何變遷的？回答這些問題的關(guān)鍵，就是了解火星不同系統(tǒng)之間的相互作用，以及這些作用隨時間變化的歷史。

? 地球有全球性的偶極磁場，帶電的太陽風離子被磁場屏蔽在大氣層外圍，從而保護了地球大氣不被“吹走”（圖片來源：NASA）

“發(fā)現(xiàn)者”馬文號

馬文號（MAVEN）是火星大氣與揮發(fā)物演化探測器的英文縮寫，是世界上第一顆專門用于研究火星高層大氣的探測器。它于2013年11月18日發(fā)射，2014年9月22日進入環(huán)繞火星的橢圓軌道，目前已在軌探測一年多。它曾在火星北半球發(fā)現(xiàn)了紫外線極光，并在高層大氣中探測到神秘的塵埃云。

除了馬文號之外，目前還有3顆探測器正在環(huán)繞火星探測，其中包括NASA于2001年發(fā)射的奧德賽號火星軌道器和2005年發(fā)射的火星勘測軌道飛行器，以及歐洲航天局（ESA）在2003年發(fā)射的火星快車軌道器。此外，在火星表面還有兩輛火星車正在開展巡視探測，分別是2003年發(fā)射的機遇號和2011年發(fā)射的好奇號。

與耗資26億美元、研究火星表面地質(zhì)和物質(zhì)組成的好奇號火星車不同，馬文號是第一顆探測火星高層大氣的探測器，大部分時間，它都會在近火點約150千米、遠火點6000千米的橢圓軌道環(huán)繞火星運行;但也曾數(shù)次下降到距離火星表面125千米處，即火星高層大氣的“最下邊界”，以獲得不同高度的火星大氣分析數(shù)據(jù)。

火星大氣去哪兒了？

前文說過，科學家們在火星表面或一定深度都沒有發(fā)現(xiàn)充足的含碳礦物，這些證據(jù)否認了人們曾經(jīng)的猜想——火星上曾經(jīng)濃厚的二氧化碳被埋藏到地下。那么，會不會有一種可能：火星大氣逃逸、消散到太空中，可能是火星氣候變化的主要原因。馬文號就通過測量火星高層大氣與太陽和太陽風的相互作用，研究出了火星大氣的逃逸過程。

原來，由于火星沒有全球性的磁場，太陽風可以直接抵達火星，將火星高層大氣中的帶電離子驅(qū)趕走。而我們所身處的地球，由于有磁場的保護，帶電的太陽風離子就無法直接抵達地球大氣層。這也致使太陽風離子對地球和火星上的大氣產(chǎn)生了不同的影響。馬文號測量了火星大氣中離子的總逃逸速率及其速率變化，探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過去40億年中，火星大氣粒子逃逸對氣候變遷有巨大影響。

據(jù)探測，火星大氣的逃逸主要發(fā)生在三個區(qū)域：一是火星面向太陽風一側(cè)，該側(cè)火星大氣被太陽風電離后“吹”到火星陰面并逃逸出大氣層，占大氣逃逸總量的75%;二是極區(qū)上空，占火星大氣逃逸總量約25%;三是繞火星的延展云層，僅占火星大氣逃逸總量的很小一部分。不僅僅是太陽風，不時出現(xiàn)的太陽風暴對火星大氣的影響更為顯著。尤其是在太陽系形成早期，太陽風暴出現(xiàn)的幾率更為頻繁。當太陽風暴擊中火星大氣層時，大氣逃逸速率將提高約10～20%。平均每秒約有100克的火星大氣被“吹走”，相當于兩個雞蛋的質(zhì)量。

目前，火星上仍殘存著稀薄的大氣層。而在太陽系的八大行星中，火星的自然環(huán)境與地球最為相似，是唯一經(jīng)改造后適合人類長期居住的天體?？茖W界越來越清晰地認識到，火星是人類面臨重大災(zāi)難時最有可能去的避險地。此次馬文號對火星大氣消失之謎的關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)，將有助于進一步了解這顆神秘的紅色行星，并為實現(xiàn)人類首次登陸火星提供重要依據(jù)。

? 馬文號火星探測器（概念圖）