最新發(fā)表在《科學》期刊上的一項研究中，首次研究了火星高層大氣中的全球風環(huán)流模式，距離地表120至300公里。這些發(fā)現(xiàn)是基于當?shù)氐挠^測，而不是間接測量，這與之前在地球上層大氣上進行的許多測量不同。

但它并沒有發(fā)生在地球上：而是發(fā)生在火星上。最重要的是，所有數(shù)據(jù)都來自一臺儀器和一艘宇宙飛船，而這些儀器和航天器最初并不是為了收集風速測量數(shù)據(jù)而設(shè)計的。2016年，Mehdi Benna和同事向火星大氣與揮發(fā)性演化(MAVEN)項目組提議：

對MAVEN航天器及其天然氣和離子質(zhì)譜儀(NGIMS)儀器進行遠程重新編程，以進行一個獨特的實驗。想看看儀器中通常固定的部分，是否可以“像擋風玻璃刮水器一樣來回擺動的速度足夠快”，以使工具能夠收集一種新的數(shù)據(jù)。最初，MAVEN項目團隊不愿實施Benna和同事要求的修改，畢竟，MAVEN和NGIMS自2013年以來一直在火星軌道上運行，他們在收集有關(guān)火星大氣成分的信息方面做得相當好。為什么要把所有這些都置于危險之中呢？

研究人員認為，這個項目將收集新類型的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以塑造我們對火星上層大氣的理解。為地球上的類似研究提供信息，并幫助我們更好地了解行星氣候。Benna是一位行星科學家，在美國宇航局戈達德太空飛行中心與UMBC空間科學技術(shù)中心(CSST)合作，他在集思廣益地研究如何創(chuàng)造一種可以收集地球上層大氣中全球環(huán)流模式信息的儀器時，想到了雨刷這個想法。他突然想到，MAVEN和NGIMS可以一起在火星上做同樣的事情。

經(jīng)過一些堅持和大量的初步分析，在航天器制造商Lockheed Martin確定有可能在不損害衛(wèi)星的情況下進行修改后。Benna和同事們說服MAVEN任務領(lǐng)導層嘗試他們的想法。這是在飛行中如何操作航天器和儀器的一次聰明的再工程。通過做這兩件事，宇宙飛船做了一些它沒有設(shè)計好的事情，儀器做了一些它沒有設(shè)計好的事情，使風速測量成為可能。這篇新研究論文是與UMBC CSST的Yuni Lee以及密歇根大學、喬治梅森大學和NASA的同事合作完成。

漣漪效應

令人耳目一新的是，在高層大氣中觀察到的模式與人們從模型中預測的全球模式一致，物理學起作用了?？傮w而言，火星上從季節(jié)到季節(jié)的平均環(huán)流模式是非常穩(wěn)定。這就好比說，在美國的東海岸，一年到頭，天氣系統(tǒng)一般都是以一種可預測的方式從西向東流動。當研究小組分析了高層大氣中風的短期可變性時，這一結(jié)果比預期的要大，這讓人感到驚訝。在火星上，平均環(huán)流是穩(wěn)定的，但是如果在任何給定的時間拍一張快照，風是高度可變的，所以需要更多的研究來確定為什么存在這些對比模式。

第二個驚喜是，地球表面上方數(shù)百公里處的風仍然包含著下面的地貌信息，如山脈、峽谷和盆地。當氣團在這些特征上流動時，它會產(chǎn)生波浪（漣漪效應）流向高層大氣”，并且可以被MAVEN和NGIMS探測到。在地球上，我們看到了同樣類型的海浪，但不是在這么高的高度，這是一個很大的驚喜，這些波浪可以高達280公里。研究小組有兩個假設(shè)來解釋為什么被稱為“正交波”的波可以持續(xù)這么長時間而不變。

首先，火星上的大氣層比地球上的要薄得多，所以波可以暢通無阻地傳播得更遠，就像漣漪在水中比在糖蜜中傳播得更遠。此外，火星上地理峰谷之間的平均差異比地球上的要大得多。在火星上，山高達20公里并不少見，然而。珠穆朗瑪峰并不完全是近九公里高，而且大多數(shù)陸地山脈都要短得多，火星地形正以一種比地球上更明顯的方式驅(qū)動著這一點。繼續(xù)分析這項研究的數(shù)據(jù)可能會幫助科學家們弄清楚，地球上層大氣是否也存在同樣的基本過程。

開拓進取

研究人員表示：具有諷刺意味的是，必須在火星上進行這些測量，才能最終理解地球上的相同現(xiàn)象。最終，這些結(jié)果將幫助我們了解火星的氣候，它的狀態(tài)是什么，它是如何演化的等等。但是研究團隊表示對當前的數(shù)據(jù)集并不滿意，而是想繼續(xù)測量，雖然已經(jīng)有有兩年的數(shù)據(jù)，但不會止步于此，即使有了已經(jīng)擁有的數(shù)據(jù)集，還有很多年的建模和分析工作要做，這是一個信息寶庫，可以用尚未想象的方式進行檢查，以了解更多關(guān)于行星如何運行的信息。

博科園｜研究/來自：馬里蘭大學巴爾的摩縣分校

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aax1553

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