科學家首繪火星「全球風向地圖」，追蹤上千塵捲風揭開紅色星球氣候奧祕

科學家首次釋出一份涵蓋整個火星的塵捲風（dust devils）運動目錄，這是人類第一次能在全球尺度上量測並追蹤上千個塵捲的移動方向與速度，也因此得以繪製出火星表面的首張「風向地圖」。研究建立的資料庫包含 1,039 個塵捲樣本，其中 373 個同時記錄了移動方向與速率，構成前所未有的全球性風場分析基礎。

▲ 這張圖顯示火星全球塵捲風的分布與移動方向。黑色與深灰藍色的點與箭頭分別代表北半球春季與夏季的塵捲風；淺灰色與粉紅色則對應南半球的春、夏季。圓點標示 1,039 個僅具位置資訊的塵捲風，而箭頭則顯示其中 373 個同時具有速度與方向資料的樣本。資料來自歐洲太空總署「火星快車號」與「ExoMars 微量氣體偵測軌道衛星」累積二十年的影像。白色方框標示火星車與登陸器的位置。這份首度釋出的全球塵捲風運動目錄，揭示了火星表面塵埃在不同季節與地區的活動特徵，並為改進火星氣候模型與風場研究提供關鍵依據。（Source：ESA，下同）

火星是一顆多風的星球。稀薄的大氣雖不足以產生如地球般的強風，卻能揚起細塵並形成暫時的渦旋。這些被稱為「塵捲風」的現象，雖然規模小、壽命短，卻在火星氣候系統中扮演重要角色。它們能攪動地表塵埃，使塵粒進入高層大氣，進而影響晝夜溫差與雲層形成。掌握塵捲風的分布與運動行為，是理解火星塵埃循環與氣候變化的關鍵。

研究團隊運用 2004 年以來的「火星快車號」（Mars Express）與 2016 年起的「ExoMars 微量氣體偵測軌道衛星」（Trace Gas Orbiter）所拍攝影像，透過自動辨識塵捲風，建立出目前規模最大的火星塵捲資料庫。結果顯示，塵捲幾乎遍布整個火星，甚至在高聳的火山頂上也能見到。其中部分地區特別活躍，例如位於北半球的亞馬遜平原（Amazonis Planitia），覆蓋著細緻塵沙，是塵捲最密集的區域之一。

▲ 塵捲風是沿火星表面移動的塵埃渦旋，是將塵埃揚起並輸送至稀薄大氣的重要機制之一。圖中可見三個塵捲風，影像由歐洲太空總署「ExoMars 微量氣體偵測軌道衛星」於 2021 年 11 月 8 日拍攝。

根據影像中塵捲的位移變化，研究人員推算其沿地表移動的速度最高可達每秒 44 公尺（約 158 公里 / 小時），明顯高於火星車在地表氣象觀測中所測得的風速，也超出現有氣候模型的預測，顯示局部氣流可能比預期更強。不過，由於火星大氣極為稀薄，即使風速達 100 公里 / 小時，人類若置身其中幾乎感覺不到。這項結果也意味著，在風速較高的區域，地表被揚起的塵埃量可能比先前估計的更多。

火星與地球一樣擁有季節循環。這些塵捲多出現在各半球的春、夏兩季，通常持續數分鐘，並集中於當地太陽時間 11 時至 14 時之間。這與地球上乾燥地區的塵捲活動相似，顯示其形成條件在兩顆行星之間具有共通的物理背景。這項研究的另一項創新在於資料取得方式。火星快車號與微量氣體偵測軌道衛星原本並非為測風設計，研究團隊卻善用影像合成時的「時間差」推算運動速度。每張影像由多次觀測合成，拍攝間隔約 7 至 19 秒。若地表靜止，影像不受影響；但若有移動物體如塵捲，最終影像會出現細微的色偏。科學家正是藉此偏移量反推其移動速度與方向，可說是將影像雜訊轉化為有價值的科學數據。

▲塵捲風是沿火星表面移動的塵埃渦旋，是將塵埃揚起並輸送至稀薄大氣的重要機制之一。此影像由歐洲太空總署「ExoMars 微量氣體偵測軌道衛星」於 2019 年 2 月 28 日拍攝，記錄了一個正在火星地表移動的塵捲風。在立體成像模式下，衛星以不同角度拍攝兩張影像，間隔約 46 秒，研究人員便利用這段時間差量測其移動速度與方向。

塵埃影響火星上的一切，從氣候變化到軌道成像品質。這份全新的塵捲風目錄不僅為火星氣候研究提供了豐富資料，也為未來任務規劃帶來實際助益。掌握風速與風向有助於預測著陸區環境與塵埃沉積情況，進而評估太陽能板的維護需求。該資料庫目前已公開，並將隨後續影像觀測持續更新，任何研究人員皆可自由取用，為揭示火星風場與氣候奧祕提供新的基礎。

（本文由台北天文館授權轉載；首圖來源：NASA）