大气

今天的金星是一个地狱般的世界，大气中的二氧化碳浓度高达96.5 %，表面温度高达462摄氏度（864华氏度）。 Credit：NASA 然而很久很久之前的金星不是这样，NASA戈达德太空研究所（GISS）的科学家们对金星的古代气候进行计算机模拟后，发现早期的金星曾有过长达20亿年的浅层液态海洋，以及宜居的地表环境。 今天有一则爆炸性新闻在推特上热议，一个由麻省理工学院，曼彻斯特大学和卡迪夫大学人员组成的研究团队，借助位于智利ALMA阵列和夏威夷的麦克斯韦望远镜，在金星的大气层中发现了磷化氢（PH3），许多天体生物学家将磷化氢视为“生物标志”，也就是说这里可能存在着生命的迹象。 来源：麻省理工学院 据称，研究人员已经得出结论，可能产生磷化氢的非生物机制，不能解释他们检测到的大量磷化氢。该研究团队花了6个多月的时间来处理他们的新发现，并且非常不愿意发表一篇明确的论文，因为这是一件大事，明确了我们在地球以外发现了生命的存在，然而他们被强有力的证据以及同行说服。 文章中称，金星中的“生命区”位于金星平均海拔48公里至60公里上空，该区域的温度在零下6.7摄氏度至100摄氏度（20华氏度至212华氏度)之间。 该论文已发表在自然天文学，详见：https://www.nature.com/articles/s41550-020-1174-4 Credit：英国皇家天文学会 上面这段视频来自英国皇家天文学会的简报。一个国际天文学家团队在金星的大气层中发现了磷化氢（PH3），所以这些科学家们可能在金星大气中发现首个地外生命存在的证据。 再多说两句个人观点，如果未来人类发射探测器前往金星，在金星大气层中采样返回，再证实到金星大气中存在着厌氧生物，那么就能确切地证明，我们并不孤单，虽然它只是个微生物，但宇宙这么大，不可能只有我们。 （截止发稿，英国皇家天文学会还在油管进行直播，地址https://www.youtube.com/watch?v=y1u-jlf_Olo，推特上也有同步更新，地址：https://twitter.com/RoyalAstroSoc ) 参考： [1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nasa-climate-modeling-suggests-venus-may-have-been-habitable [2]https://www.quora.com/Was-life-discovered-in-the-clouds-of-Venus-in-2020 [3]https://www.youtube.com/watch?v=dnkBqq9O7Tw

根据由美国国家航空航天局（NASA）资助的科学家们的最新观测结果显示，一种用于估计火星大气流失程度的关键示踪剂，可以根据火星一天中的时间和这颗红色星球的表面温度而变化。此前对这种示踪剂（即氧同位素）的测量结果很大不同。关于该示踪剂的精确测量对于估计火星失去大气之前曾经拥有多少大气而言非常重要，这将揭示火星曾经是否适宜居住以及当时的条件可能会是是什么样的。 如今的火星是一个寒冷、不适宜居住的沙漠，但是像干涸的河床和仅有液态水形成的矿物质等特征表明，很久以前火星曾拥有一个厚实的大气层保留了足够的热量使得液态水（生命的必要成分）可以在火星地表流动。根据NASA各项任务，比如火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）、好奇号任务以及追溯到1976年的维京任务（Viking missions）的结果看来，火星似乎在数十亿年间失去了大部分大气，使得火星从可能支持生命存在的气候变成如今干燥冰冻的环境。 这幅艺术家笔下的概念图描绘了被认为包含液态水和更厚的大气层的早期火星环境（右图），与如今火星上寒冷干燥的环境（左图）的对比。 版权：NASA戈达德太空飞行中心 然而，关于这颗红色星球的古老大气仍存在许多谜团。美国马里兰大学学院公园分校和NASA戈达德太空飞行中心的蒂莫西·利文古德（Timothy Livengood）是8月1日于Icarus网站上发表的一篇关于这项研究的论文的第一作者。他表示：“我们知道火星曾经拥有更多的大气。我们知道它曾经拥有流水。除此之外，我们对其他环境条件尚未有一个很好的评估，即火星曾经的环境和地球有多相似？类似的时间有多久？”。 估算火星原始大气厚度的一种方法是观察氧同位素。同位素是同一元素因原子核中中子数不同而具有不同质量的变体。较轻的同位素相对较重的同位素逃逸到太空的速度更快，因此地球大气中残留的较重同位素会逐渐富集。在这种情况下，与地球相比，火星上较重的氧同位素18O相对更轻更常见的16O更加富集。在假设地球和火星上的每种同位素的相对量曾经是相似的情况下，测量到的每种同位素的相对量，结合对较轻的16O的逸出速度的估计，可以用来估计古代火星上的大气多少。 问题是，对火星上18O与16O的相对量（即18O/16O的比值）的测量值并不一致。不同的任务需测量不同的比值，这导致了对火星古代大气的不同理解。这项新结果提供了一种可能可以解决这种差异的方法，这个方法显示了在火星日中该比值会发生变化。Livengood表示：“以前在火星或地球上进行的测量得到了各种不同的同位素比值。我们的方法是第一个使用单一方法来进行测量的，该方法显示了一天之内实际变化的比值，而不是独立设备之间的比较。在我们的测量中，与地球上氧同位素的正常比值相比，火星上氧同位素比值的变化范围从正午时分重同位素的约9%亏损到下午1:30左右重同位素的约8%富集不等。” 这一同位素的比值范围与其他报道的测量值相一致。Livengood表示：“我们的测量结果表明，以前的工作可能都是正确的，但是并不一致，这是由于大气的这一方面比我们所意识到的要复杂得多。根据在火星上的哪一个地点进行测量，以及一天中的什么时间进行测量，都有可能得到不同的测量值。” 研究小组认为，由于火星地表温度的原因，在一天中的同位素比值变化是一种常见现象，在这种情况下，较重的同位素分子在夜间比较轻的同位素更容易附着在寒冷的表面颗粒上，然后随着白天地表温度的升高，这些较重的分子就会释放出来(热解吸)。 由于火星大气的主要成分是二氧化碳（CO2），研究小组实际上观测到的是附着在CO2分子中碳原子上的氧同位素。他们利用NASA戈达德太空飞行中心研发的行星风和成分外差仪，通过设在夏威夷莫纳克亚山的NASA红外望远镜设备对火星大气进行了观测。Livengood表示：“在试图了解我们从观测中获得的估计同位素比值的广泛分布时，我们注意到它们与测量得到的地表温度有关联性。正是这种洞察力让我们走上了这条道路。” 这项新工作将帮助研究人员完善他们对古代火星大气的估计。因为这些测量结果现在可以被理解为与其他行星大气中类似过程的结果相一致，这意味着它们在理解火星气候变化方面走上了正轨。Livengood表示：“这表明大气流失是由我们或多或少了解的过程造成的。关键的细节还有待研究，但这意味着我们不需要引入外来过程，这些过程可能会在不改变同位素比值或只改变其他元素的某些比值的情况下，就能消除二氧化碳。” 这项研究由前NASA行星天文学项目资助，现为NASA太阳系观测项目。NASA正在利用我们强大的太空飞船和基于地面的任务对太阳系和太阳系以外的地方进行探索，揭示世界、恒星和宇宙的奥秘。 参考 https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mars-lost-atmosphere

一方面，关于火星大气中甲烷性质和存在的争论仍在继续，另一方面，水曾经存在于火星这一点却已经实锤，并且，它仍以水-冰或水合矿物质的形式存在着。这一点尤为重要，因为有水的地方，就可能有生命。 为了让我们更好地理解火星上水分布的具体位置以及形成历史，联合发射的火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter，TGO）的精细分辨超热中子探测器（Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector，FREND）正在绘制火星表面最上层的氢原子分布图。氢原子是水分子的组成原子之一，它象征了水分子的存在，同时也能代表被吸收进火星大气的水分子，以及在有水条件下形成的矿物质。 火星浅层地下水的分布< 版权：ESA/ATG媒体实验室；数据来源：I. Mitrofanov et al (2018) FREND地图绘制任务的完成将会需要大约一个火星年的时间，也就是几乎两个地球年，FREND将会用最佳生成的数据来构建最高质量的地图。实际上，仅仅只用现有的几个月的数据，FREND构建出的第一张地图就已经超越了此前所有测量结果的分辨率。 [rml_read_more] “在短短131天的时间内，这台仪器就已经绘制出了比上一任版本更高分辨率的地图，也就是超越了美国航天航空局（NASA）的火星奥德赛（Mars Odyssey）16年以来的数据绘制的地图，并且，这份地图正处于不断优化之中。”伊戈尔•米特罗法诺夫（Igor Mitrofanov）说道。伊戈尔是位于莫斯科的俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）的空间研究所（Space Research Institute）FREND仪器的首席研究员。 除了两极地区已经确定富含水的永久冻土（permafrost）之外，这份新的地图还显示了局部“潮湿”和“干燥”地区更为精密的细节；同样得到突出的，还有赤道地区富含水的区域，这可能意味着现阶段赤道地区存在富含水的永久冻土，或者这里在过去曾是火星的两极。 魔鬼般沙尘的细节 版权：ESA/Roscosmos/CaSSIS, CC BY-SA 3.0 IGO “TGO得到的数据质量正在不断提高，最终，我们将会得到足够完整的数据，来构建火星的浅层地下富水材料地图，而这份地图对理解火星的整体演变以及现存水的来源尤为重要。”伊戈尔补充说道，“这对火星科学意义重大，对未来的火星探索也极具价值。” “多亏了TGO的成像系统，我们已经能够享受到现有的如此精美的火星图片和立体视图，现在，我们很高兴还能从其他仪器的数据中共同观察到这一切。” 欧洲空间局（ESA） TGO的项目科学家霍坎•斯韦德赫姆（Håkan Svedhem）总结道。 “我们的未来充满希望，多个探索项目都在为火星科学的迷人之处作出贡献：从地下水的分布，到活跃的火星表面反应过程，再到神秘的火星大气。” 延伸阅读 本文是关于火星微量气体轨道探测器（ExoMars Trace Gas Orbiter）解读的第三篇，前两篇文章分别是 一：这场全球性的沙尘暴，让火星大气湿度迅速增加 二：火星大气中变幻莫测的甲烷，为何神秘消失？ 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…

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。 [rml_read_more] 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…