火星中層大氣的雲如何形成?靠流星劃過時碎裂的塵埃

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 21 日 15:09 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly


長期以來,天文學家一直在火星大氣中層觀察到雲的形成,該處距離地表 30 公里,一直很難解釋它們的形成機制。現在科羅拉多大學波德分校科學家指出,中層雲層可能來自隕石進入火星大氣層時,留下的流星煙(meteor smoke)讓水分子有所依附。

和地球相比,火星如今的大氣層相當稀薄,其地表大氣壓力不到地球的 1%,並且火星大氣總質量只有 25 兆噸,而地球有 5,148 兆噸。

至於地球上的雲,為氣態水分子聚集在空氣中的凝結核(condensation nuclei)周圍所形成。在定溫下,水氣含量超過飽和蒸汽壓便會開始凝結,但氣態水分子之間的相互作用較小,就算已達飽和環境,可能也不足以讓水分子凝聚成為液態,沒有凝結核作為核心讓水分子依附,我們就看不到各種美麗的雲貌。

然而同樣的物理機制放到火星身上時卻出現了問題。火星大氣結構分為:相對溫暖的「低層大氣」、有高速氣流存在的「中層大氣」、大氣分子不像下層均勻分布的「上層大氣(或熱氣層)」,以及距離地表 200 公里以上、大氣逐漸過度到外太空、無明顯邊界的「外氣層」。

如果按照雲的正常形成機制,則火星中層大氣應該也要有塵埃粒子作為凝結核,讓水氣依附以形成雲,然而事實是,科學家從沒有在火星中層大氣找到這些塵埃。

於是科羅拉多大學波德分校團隊將眼光轉向流星。根據 NASA 的火星大氣與揮發物演化任務(Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission,MAVEN)探測器數據,每天平均有 2~3 噸流星進入火星大氣層,當這些隕石與大氣層摩擦並裂成碎片時,就會往大氣注入大量灰塵,稱為流星煙。為了確定流星煙是否為火星中層大氣神秘雲層的起源,研究團隊利用電腦模擬火星大氣層的流動,果然結果顯示雲出現了。

雖然與地球壯觀的積雨雲相比,火星上的雲很小、很薄,可能類似地球的絲狀卷雲,但它們依然能發揮影響力,讓火星高海拔地區溫度上升或下降達 10℃。

這些雲的形成有助於揭示火星大氣演化史,更具體地說,能幫助揭開過去火星表面如何維持液態水。新論文發表在《自然-地球科學》(Nature Geoscience)期刊。

(首圖來源:科羅拉多大學波德分校

延伸閱讀: