这场全球性的沙尘暴，让火星大气湿度迅速增加

对火星大气进行分析
版权：ESA/ATG媒体实验室

一系列火星相关的最新证据：最近席卷整个火星的沙尘暴对火星大气层中水的影响，以及火星大气中甲烷气体的缺失，这些都是火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter）在轨观测第一年的科学成果亮点。

《自然》（Nature）杂志于4月10日发表了两篇论文，阐述了新的研究结果；同时，维也纳欧洲地球科学联盟（European Geosciences Union）的专题新闻发布会也对这些新发现进行了报道。

第三篇相关论文也已经投稿给了《俄罗斯科学院院刊》（Proceedings of the Russian Academy of Science），展示了有史以来火星浅层地表之下水-冰或含水矿物质的最详尽的绘制地图。

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2016年10月，欧洲航天局（ESA）-俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）联合发射的火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter，TGO）正式抵达火星。接着，利用所需的航空制动技术，TGO花费了一年多的时间进入到它的科学轨道，距离火星表面400千米，运行周期为两小时。

“微量气体轨道探测器得到的第一批结果让我们非常满意。”ESA TGO的项目科学家霍坎•斯韦德赫姆（Håkan Svedhem）说道。

“我们的探测仪器表现得非常出色，即使是在观测任务最初的几个月里，提供的精确数据就已经比之前的水平高出很多。”

来自TGO的首批结果
版权：ESA/ATG媒体实验室

TGO的主要科学探究任务从2018年4月底开始进行，也就是火星全球性沙尘暴开始的几个月前。这场沙尘暴最终造成了美国航空航天局（NASA）机遇号（Opportunity）火星车15年火星表面探测任务的终止。

相比之下，位于轨道上的航天器却能对沙尘暴事件进行全面而独特的观测，TGO将沙尘暴的起始和发展都记录了下来，并观察着飞扬的沙尘对火星大气中水蒸气的影响，这一点对理解火星上水的历史有着重要的意义。

利用沙尘暴，研究火星水历史

TGO探测器上有两台光谱仪：天底与掩日光谱仪（Nadir and Occultation for MArs Discovery，NOMAD）以及大气化学光谱仪组件（Atmospheric Chemistry Suite，ACS）。NOMAD与ACS首次对火星大气进行了掩日测量（solar occultation measurement），即在火星大气的“掩蔽下”穿过大气指向太阳，观察不同的大气成分对太阳光线的吸收情况，从而进一步揭示火星大气独特的化学组成。

这使得科学家能绘制出水蒸气和“半重”水的垂直分布（“半重”水：“semi-heavy” water，即水分子的其中一个氢原子被氘原子取代。氕原子是氢的主要同位素，由一个质子和一个电子组成；氘也被称为重氢，比氕原子要多一个中子），范围从靠近火星表面直到火星表面上方80千米的高度。这些新的结果追踪了火星大气中氢原子逃逸进入太空的过程，从而探索了大气中沙尘对水的影响。

比利时皇家空间和高层大气物理研究所（Royal Belgian Institute for Space Aeronomy）的NOMAD首席仪器研究员安•卡里纳•旺达勒（Ann Carine Vandaele）表示：“在火星的北纬地区，我们观察到了此前并不存在的一些特征，比如在25 ～ 40千米的高空中漂浮着一些沙尘云；而在南纬地区，我们观察到了沙尘云层向高海拔地区的移动。”

“在沙尘暴最初发生的短短几天里，大气中水蒸气量的增加极为迅速，这表明火星大气对沙尘暴的反响相当迅速。”

沙尘暴的演变
版权：ESA/ATG媒体实验室；数据：A. C Vandaele et al (2019)

TGO的观测结果与火星的全球循环模型一致：沙尘吸收了太阳辐射，周围的气体被加热而膨胀，进而在更广的垂直范围内让其他成分重新分布，这些其他成分之中就包括了水；赤道与两极间的温度差异也进一步被拉大，加强了火星的大气循环流动；与此同时，由于温度的上升，水-冰云的形成数量减少，通常情况下，水-冰云会将水蒸气限制在较低的空间高度上。

这些研究团队还首次同步观测到了半重水和水蒸气，这为轻原子和氘原子逃逸进入太空的数量控制过程提供了重要的信息。这一观测同时也意味着氘原子和氢原子的比例（D/H比）可以被推导出来，而D/H比则是火星含水量演化过程的重要标志。

“我们发现这些水分子，无论是否含有氘原子，对冰云的存在都极其敏感，因为冰云能防止它们到达高层的火星大气。在火星沙尘暴期间，水分子则扩散到了相当高的地方，” 安•卡里纳说道，“这种现象早已在理论上被各种模型预测出来，但这是我们首次在实际中观测到。”

由于D/H比理论上会随着季节和高度的变化而发生改变，因此TGO将持续进行区域性、季节性的测量，为前面提到的控制过程提供更进一步的证据。

在奥地利维也纳欧洲地球科学联盟（European Geosciences Union）的专题新闻发布会上，这些结果也得到了报道。

最后，关于火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter）的解读，还有两部分，“火星大气中甲烷的神秘缺席”与“火星浅层地下水的最佳地图”。

未完待续……

参考：
[1] https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/First_results_from_the_ExoMars_Trace_Gas_Orbiter
[2] “Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars” by O. Korablev et al, is published in the journal Nature.
[3] “Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter” by A.C Vandaele et al, is published in the journal Nature.
[4] “Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project” by I.G. Mitrofanov et al, is accepted for publication in the Proceedings of the Russian Academy of Science, the Branch of Physical Science.
[5] https://client.cntv.at/egu2019/pc7