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    首次绘制出:火星全球风向图!真让人耳目一新,与地球有何异同?

    ​博科园:本文为天文学类

    最新发表在《科学》期刊上的一项研究中,首次研究了火星高层大气中的全球风环流模式,距离地表120至300公里。这些发现是基于当地的观测,而不是间接测量,这与之前在地球上层大气上进行的许多测量不同。但它并没有发生在地球上:而是发生在火星上。最重要的是,所有数据都来自一台仪器和一艘宇宙飞船,而这些仪器和航天器最初并不是为了收集风速测量数据而设计的。2016年,Mehdi Benna和同事向火星大气与挥发性演化(MAVEN)项目组提议:

    首次绘制出:火星全球风向图!真让人耳目一新,与地球有何异同?

    对MAVEN航天器及其天然气和离子质谱仪(NGIMS)仪器进行远程重新编程,以进行一个独特的实验。想看看仪器中通常固定的部分,是否可以“像挡风玻璃刮水器一样来回摆动的速度足够快”,以使工具能够收集一种新的数据。最初,MAVEN项目团队不愿实施Benna和同事要求的修改,毕竟,MAVEN和NGIMS自2013年以来一直在火星轨道上运行,他们在收集有关火星大气成分的信息方面做得相当好。为什么要把所有这些都置于危险之中呢?

    首次绘制出:火星全球风向图!真让人耳目一新,与地球有何异同?

    研究人员认为,这个项目将收集新类型的数据,这些数据可以塑造我们对火星上层大气的理解。为地球上的类似研究提供信息,并帮助我们更好地了解行星气候。Benna是一位行星科学家,在美国宇航局戈达德太空飞行中心与UMBC空间科学技术中心(CSST)合作,他在集思广益地研究如何创造一种可以收集地球上层大气中全球环流模式信息的仪器时,想到了雨刷这个想法。他突然想到,MAVEN和NGIMS可以一起在火星上做同样的事情。

    首次绘制出:火星全球风向图!真让人耳目一新,与地球有何异同?

    经过一些坚持和大量的初步分析,在航天器制造商Lockheed Martin确定有可能在不损害卫星的情况下进行修改后。Benna和同事们说服MAVEN任务领导层尝试他们的想法。这是在飞行中如何操作航天器和仪器的一次聪明的再工程。通过做这两件事,宇宙飞船做了一些它没有设计好的事情,仪器做了一些它没有设计好的事情,使风速测量成为可能。这篇新研究论文是与UMBC CSST的Yuni Lee以及密歇根大学、乔治梅森大学和NASA的同事合作完成。

    涟漪效应

    令人耳目一新的是,在高层大气中观察到的模式与人们从模型中预测的全球模式一致,物理学起作用了。总体而言,火星上从季节到季节的平均环流模式是非常稳定。这就好比说,在美国的东海岸,一年到头,天气系统一般都是以一种可预测的方式从西向东流动。当研究小组分析了高层大气中风的短期可变性时,这一结果比预期的要大,这让人感到惊讶。在火星上,平均环流是稳定的,但是如果在任何给定的时间拍一张快照,风是高度可变的,所以需要更多的研究来确定为什么存在这些对比模式。

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    第二个惊喜是,地球表面上方数百公里处的风仍然包含着下面的地貌信息,如山脉、峡谷和盆地。当气团在这些特征上流动时,它会产生波浪(涟漪效应)流向高层大气”,并且可以被MAVEN和NGIMS探测到。在地球上,我们看到了同样类型的海浪,但不是在这么高的高度,这是一个很大的惊喜,这些波浪可以高达280公里。研究小组有两个假设来解释为什么被称为“正交波”的波可以持续这么长时间而不变。

    首次绘制出:火星全球风向图!真让人耳目一新,与地球有何异同?

    首先,火星上的大气层比地球上的要薄得多,所以波可以畅通无阻地传播得更远,就像涟漪在水中比在糖蜜中传播得更远。此外,火星上地理峰谷之间的平均差异比地球上的要大得多。在火星上,山高达20公里并不少见,然而。珠穆朗玛峰并不完全是近九公里高,而且大多数陆地山脉都要短得多,火星地形正以一种比地球上更明显的方式驱动着这一点。继续分析这项研究的数据可能会帮助科学家们弄清楚,地球上层大气是否也存在同样的基本过程。

    开拓进取

    研究人员表示:具有讽刺意味的是,必须在火星上进行这些测量,才能最终理解地球上的相同现象。最终,这些结果将帮助我们了解火星的气候,它的状态是什么,它是如何演化的等等。但是研究团队表示对当前的数据集并不满意,而是想继续测量,虽然已经有有两年的数据,但不会止步于此,即使有了已经拥有的数据集,还有很多年的建模和分析工作要做,这是一个信息宝库,可以用尚未想象的方式进行检查,以了解更多关于行星如何运行的信息。

    首次绘制出:火星全球风向图!真让人耳目一新,与地球有何异同?

    博科园|研究/来自:马里兰大学巴尔的摩县分校

    参考期刊《科学》

    DOI: 10.1126/science.aax1553

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