火星气候

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参见：火星大气层
海盗1号于1980年2月22日拍摄的火星拼接影像。

火星气候是数个世纪的科学家感兴趣的课题，因为火星是唯一可从地球观测其表面细节的类地行星。

虽然火星质量只有地球的11%，距离太阳比地球远50%，两颗行星的气候仍有明显相似之处，例如极冠、季节变化和可观测的天气模式，因此吸引了行星科学家和气候学家持续的研究。虽然火星的气候类似地球，包括季节和周期性的冰河期，也有重要的差异，如没有液态水（虽然存在水冰）和低得多的热惯性。火星大气层的大气标高大约是11公里，比地球高60%。气候和生命现在或过去是否曾经存在于火星上有很大的关联性，并且因为 NASA 的量测指出火星南极冰盖的升华增加，以致一些新闻媒体推测火星正经历全球暖化的新闻而受到越来越多人感兴趣[1]。

早在17世纪早期人类就已使用地球表面的设备研究火星，但直到1960年代中期火星探测才开始对火星近距离观测。飞掠和环绕探测器在火星大气层之上观测，并有数个登陆艇和火星车直接量测取得资料。先进的地球轨道望远镜今日仍持续提供一些有用的广视野观测以了解大范围的气象现象。

第一个火星飞掠任务是1965年的水手4号。快速的二日飞掠任务（1965年7月14至15日）提供了火星气候有限而粗略的模式。之后的水手6号和水手7号提供了缺少的气候基本讯息。之后真正取得火星气候资料是开始于1975年的海盗号计划和之后计划，例如极为成功的火星全球探勘者号。

这些观测工作已经有称为火星大气环流模式（Mars General Circulation Model, MGCM）的电脑模拟计算辅助[2]。几个不同的迭代模式增进了火星气候模式有限度的了解。气候模式在显示大气物理和小于影像分辨率的尺度上是受到限制的。它们也可能基于火星大气机制和受到火星观测资料品质以及时间和空间密度限制造成的不准确或不切实际假设。

历史上的气候观测[编辑]

贾科莫·马拉迪（Giancomo Miraldi）在1704年确定火星南极冰盖的中心并非位于火星自转极轴[3]。之后在1719年的火星冲期间马拉迪观测了火星的南北极冰盖和火星冰盖的短时间变化。

威廉·赫歇尔在其1784年发表的一篇论文《On the remarkable appearances at the polar regions on the planet Mars, the inclination of its axis, the position of its poles, and its spheroidal figure; with a few hints relating to its real diameter and atmosphere》中首次推论火星的大气层相当稀薄。论文中提到两颗暗星在火星附近时，亮度未受到影响；赫歇尔因此正确推论出火星只有少量大气层可以影响星光[3]。

奥诺雷·弗拉格格斯（英语：Honoré Flaugergues）于1809年发现了火星表面的“黄色云”，这是首次观测到火星沙尘暴的纪录[4]。弗洛热尔格也于1813年观测到了火星春季期间极地冰冠明显的退缩。他因此错误推测火星气候比地球温暖。

火星古气候学[编辑]

在任何严谨的火星古气候模式被提出之前，已经有一个被认可的模式，尤其是火星地质年代模式。目前已经有两套火星地质年代系统被使用。第一个系统是基于火星表面撞击坑密度；第二个则是三个火星年代：诺亚纪、赫斯珀里亚纪和亚马逊纪。近年已提出以矿物进行地质年代区分的取代方案，同样也是三个地质年代：硅期（Phyllocian）、硫期（Theikian）和铁期（Siderikian）。

最近的观测和模形不但可以提供火星现在的气候和大气状况，也可得知过去的状况。诺亚纪的火星大气层长期被认为富含二氧化碳；近年的火星表面黏土矿物沉积的光谱分析和黏土矿物形成状态模拟发现当时很少或没有碳酸盐矿物在黏土中[5]。黏土在富含二氧化碳环境中形成时总是伴随碳酸盐的形成，虽然形成后很容易受到火山喷发的酸性物质破坏。

在火星上发现的形成与水相关矿物有机会号发现的赤铁矿和黄钾铁矾，以及勇气号发现的针铁矿，这代表火星遥远过去的气候条件是允许液态水在火星表面流动的。一些撞击坑的形态指出，在撞击发生实火星表面是潮湿的[6]。火星地理特征的侵蚀速率[7]和火星表面的河谷网[8]都强烈暗示在诺亚纪时代（大约超过 40 亿年前）的火星是温暖而潮湿的。但是火星陨石样本的化学分析则指出，当时接近火星地表的温度在过去 40 亿年间很可能是低于 0 C°[9]。

一些科学家认为塔尔西斯巨型火山群可能对火星气候造成主要影响。喷发中的火山会释放出大量气体，主要是水蒸气和二氧化碳。据估计，火星火山喷发入大气层的气体量可让早期火星大气层比地球大气层厚。此外，水蒸气可以使火星表面被深度120米的水覆盖。二氧化碳是温室气体，可以捕捉红外线形式的热能增加行星表面温度。所以塔尔西斯的火山群会经由喷发二氧化碳使火星早期相当类似于地球。火星可能曾经有比现在厚而高温的大气层，并曾经存在湖泊或海洋[10]。但是现在难以建立一个令人相信的火星全球气候模型足以证明火星表面温度曾经在冰点以上[11]，虽然这可能只是反映了在这种规模的模型下，其校准精确度的困难。

天气[编辑]

火星的大气温度和环流每年都在变化（符合任何有大气层行星的预期）。火星缺少海洋，而海洋在地球上是造成年间气候变化的一个重要来源。火星全球探勘者号上的火星轨道摄影机（Mars Orbital Camera）自1999年开始连续拍摄火星表面2.5个火星年的时间[12]，资料显示火星天气重复次数较高，比地球容易预测。如果一个气象事件在一年的特定时间中发生，可提供的资料（相当稀疏）指出，很可能在下一年几乎同一个位置再发生一次，误差最多一个星期。

2008年9月29日，凤凰号拍下了降雪事件，是在接近凤凰号登陆地点附近海姆达尔撞击坑之上，高 4.5 公里的云降雪。这次降水在到达火星表面时就已蒸发，这现象称为幡状云[13]。

火星的云[编辑]

凤凰号着陆点上十分钟的云动态动画。

火星的沙尘暴可以使细颗粒物质进入大气层，并且细颗粒物质周围环绕物质可促成云的形成。这样的云可以在火星高层大气形成，最高可达100公里[14]。火星上的云是非常稀薄的，只能在火星夜间云反射太阳光和夜空形成对比时看到。在这方面这些云相当类似于形成于高于 80 公里的地球中气层的夜光云。

温度[编辑]

火星平均温度的在许多报告中都不同[15]，常见的值是 −55 °C[16]。表面温度根据海盗号轨道器的红外线热测量器量测资料得知，最高温可达27 °C，最低温则是冬季冰冠的−143 °C[17]。海盗号登陆艇量测的温度则在−17.2 °C到−107 °C之间。

有报告指出，火星夜间大气层已获得温度资料在每个北半球春季和早夏有相同的实验误差（±1 K），但昼间资料则有所不同，一年中的误差可达到6 K[18]。这个日夜温差相当让人意外且无法理解。在南半球的春季和夏季温度变化则受到沙尘暴影响，这会使夜间温度峰值增加，而降低昼间温度峰值[19]，结果是表面平均温度小幅下降（20°C）和高层大气温度适度上升（30°C）[20]。

火星大气层特性与现象过程[编辑]

低大气压[编辑]

火星大气层主要由二氧化碳组成，平均表面气压大约600 Pa，远低于地球的101,000 Pa[21][22]。结果就是火星受到因为太阳辐射加热产生的热潮汐影响大于重力影响。这些热潮汐作用相当明显，可让平均气压改变10%（约50 Pa）。地球大气层有类似的周日和半日潮汐，但因为地球大气层质量较大而效果不明显。

虽然火星上的温度可达到冰点以上（0 °C），液态水在整个火星上无法稳定存在。大气压力低于水的三相点时水就会蒸发成水蒸汽。例外的状况是火星的低地，尤其是巨大的撞击盆地，火星撞击坑中最大的希腊平原。该盆地的深度足以使其底部气压达到高于三相点的1155 Pa，如果该区域温度高于0 °C就可使液态水存在。

风[编辑]

火星表面的热惯性极低，这代表火星受到太阳照射时可以快速加热。一般状况下火星日间温度不定，除了极区温度约100 K。地球上的风经常在热惯性快速变化的地方形成，例如海洋和陆地交界。火星上没有海洋，但土壤的热惯性会变化，造成类似地球上海风和陆风的风[23]。Antares 计划中的“火星小尺度天气”（Mars Small-Scale Weather, MSW）项目于最近确定在火星全球气候模型中一些次要的缺陷，这是因为“土壤对于火星地表的加热是重要的，所以土壤的资料必须相当准确”[24]。这些缺点被修正并可进行更准确的评估，但仍依赖旧火星气候模型预测在未来会遇到问题。

在低纬度区域主要是受到哈德里环流圈影响，本质上这和地球的信风是相同的。高纬度区域有一系列高和低气压区域，由所谓的斜压压力波主导。火星比地球寒冷而干燥，因此被风吹入大气层中的尘埃留在大气层中的时间会比地球长，且没有降水可以使尘埃落下（除了落下二氧化碳冰以外） [25]。下图的气旋是由哈伯太空望远镜拍摄。

火星和地球哈德里环流圈最大的不同是速度[26]，这速度是以时间的倒数计算。在火星上一整年速度都超过地球的 100 倍。

沙尘暴的影响[编辑]

2001年希腊平原的沙尘暴
火星地平线合成延时影像：Sols 1205 (0.94)、1220 (2.9)、1225 (4.1)、1233 (3.8)、1235 (4.7) 显示2007年7月阳光被沙尘暴遮蔽，光深度4.7代表99%阳光被遮蔽。影像感谢：NASA/JPL-Caltech/Cornell
参见：火星土壤

当水手9号在1971年到达时，全世界都希望能看到火星表面的细节。实际上却看到几乎是行星尺度的沙尘暴[27]，除了巨型火山奥林帕斯山在沙尘暴云上方之外。该风暴持续了一个月，让科学家了解沙尘暴在火星上相当常见。海盗号轨道探测器的观察则发现[19]，当全球性沙尘暴发生时，日间温差变化大幅缩小，从50度缩小到只有10度，风速也快速改变－只在一个小时内平均风速就达到17 m/s，阵风更达到26 m/s。但是并没有在任何位置上观察到实际上的物质搬运，只有当尘埃落下时亮度逐渐增加和表面物质对比的下降。2001年6月26日哈伯太空望远镜拍摄到了希腊平原正在形成沙尘暴（右图）。一日后该沙尘暴爆发性发生并成为全球性事件。火星轨道上探测器量测显示该次沙尘暴减少了火星平均温度，并且火星表面温度上升达到30 °C[20]。低密度的火星大气层代表风速将达到18到22 m/s 以扬起火星表面的尘埃。但因为火星相当干燥，不像地球的降水会使尘埃落到地面，尘埃在火星大气中悬浮时间比地球长。在沙尘暴季节的白昼温度4 °C 低于平均温度。这是因为浅色尘埃因为沙尘暴覆盖整个火星，暂时地增加了火星表面反照率[28]。

2007年中一次全球性的沙尘暴对太阳能驱动的精神号和机会号火星探测漫游者造成了严重威胁，太阳能板提供的电能降低，必须关闭大部分科学仪器等待沙尘暴结束[29]。沙尘暴之后因为太阳能板上沉积了尘埃而降低了供电量。

火星通过近日点时容易发生沙尘暴，因为火星接收到的太阳辐射能比远日点时高出40%。远日点期间水冰形成的云形成，和尘埃颗粒交互作用并影响火星表面温度[30]。

有人曾提出火星上的沙尘暴扮演了和地球上的云类似角色[来源请求]。自1950年代的观察显示全球性的沙尘暴在特定火星年的发生几率是三分之一[31]。

跳跃搬运[编辑]

地质上的跳跃作用是重要的增加火星大气层内粒子过程。跳跃的砂砾已经被精神号火星车观察到[32]。理论和实际观察目前仍互相不符合，古典理论忽略了一半真实状况跳跃作用中的粒子[33]。一个新的模型更加密切符合实际观察，并表明跳跃粒子产生了增加跳跃效果的电场。火星粒子跳跃的高度和长度超过地球上相当直径粒子的100倍，而速度是5到10倍[34]

气旋风暴[编辑]

哈伯太空望远镜拍摄到火星极区的气旋。

在海盗号轨道探测器首先对火星表面进行测绘后，许多探测器和望远镜都发现了类似飓风的气旋风暴。影像显示这些气旋是白色的，与更常见的沙尘暴不同。这些风暴倾向在火星北半球的夏季出现，且都位于高纬度区。推测这是因为火星北极点附近的独特气候环境造成[35]。

甲烷的存在[编辑]

ESA的火星快车号已经在火星大气层中发现甲烷，含量大约是10 nL/L[36][37][38]。因为紫外线会分解甲烷，以目前火星大气层的状况应只能存在350年，因此必须有某种来源补充甲烷 [39]。火星目前的气候状况可能破坏笼状水合物，但目前对火星甲烷的来源仍无共识。

二氧化碳的侵蚀[编辑]

火星侦察轨道器拍摄影像中显示了一个基于火星特殊气候下的特别侵蚀作用。春季在特定区域温度上升造成二氧化碳升华和向上流动，造成称为“火星蜘蛛”的特殊侵蚀模式[40]。半透明干冰在冬季形成，当春季太阳能量使其表面温度上升时会使二氧化碳升华成气体，并在半透明的干冰下流动，遇到干冰层弱点时就会喷发形成喷泉[40]。

山岳[编辑]

火星的风暴明显受到火星上大规模的山地影响[41]，奥林帕斯山等个别的山峰可以影响区域天气，但是塔尔西斯的火山群可以大范围影响火星天气。

一个涉及山地的天气重复现象是位于阿尔西亚山上方的螺旋状尘埃云。该螺旋状尘埃云覆盖阿尔西亚山，高度约15到30公里[42]。在整个火星年这些云都出现在阿尔西亚山周围，在夏末达到最高峰[43]。

云周围的群山显示了季节性变化。奥林帕斯山和艾斯克雷尔斯山周围的云在北半球春季和夏季覆盖面积达到最大，在晚春时面积分别是大约 900,000 km2和1,000,000 km2。亚拔山和帕弗尼斯山周围的云量在夏末有一个额外的小高峰。在冬季非常少云被观测到，而火星大气环流模式的预测和观测结果相一致[43]。

极冠[编辑]

艺术家笔下的火星在210万和40万年前冰河期时可能的外观。当时火星转轴倾角相信远大于现在的火星。
HiRISE影像拍摄火星南极冰棚上的“暗色砂丘斑点”和气体二氧化碳喷发形成的扇形地形。

火星两极都存在主要由水冰构成的冰冠，但在表面有固态二氧化碳（干冰）存在。干冰在火星北极（北极高原）只存在于冬季，夏季则完全升华消失；而火星南极则被8米厚的永久干冰层覆盖[44]。如此差异是因为火星南极的高程较高。

所以有许多大气层中的气体被冻结在冬季极区，而气压变化可达平均值三分之一。这样的凝结和升华过程会使不凝结得气体比例在大气层中变化[25]。火星的轨道离心率和其他因素会影响周期。春季和秋季因为二氧化碳升华会产生强烈的风造成以上所述的全球性沙尘暴 [45]。

火星北极的冰冠在北半球夏季时直径约1000公里[46]，并包含160万立方公里水冰，如果平均分布的话，冰冠将厚达2公里[47]（相较之下，格陵兰冰原含有285万立方公里水冰）。火星南极冰冠的直径约350公里，最大厚度约3公里[48]。火星两极的冰冠都有螺旋状的槽，其形成一般认为是因为日照加热差异和水冰升华和水蒸气凝结产生[49][50]。从火星勘察卫星上可穿透冰层的浅地层雷达（SHARAD）资料分析，发现螺旋状的槽形成于来自极区高处搬运冰和产生大波长底形的高密度下降风的独特区域 [51][52]。螺旋状的形成是因为科里奥利力对风向的影响，类似地球上螺旋形的飓风。槽并没有和冰冠一起形成，而是在四分之三的冰冠形成之后的大约240万到50万年前开始形成。这显示了气候的变化激发槽的开始形成。两极冰冠的消退和增长跟随火星季节的温度变化而变化；而它们的长期变化模式目前仍未完全被了解。

火星南半球春季时，太阳照射的加热会使火星南极沉积于半透明水冰下的干冰层的二氧化碳压力增加，而且会受到暗色的底曾因为吸收辐射能加热。在气压增加到足以喷发的压力后，气体会以类似喷泉的模式喷发。虽然这些喷泉尚未被直接观察到，却留下了“暗色砂丘斑点”（Dark dune spots）和冰上色调较浅的扇状地形，这代表沙和尘埃随着喷发到了表面，并且蜘蛛状的沟槽因为向外喷发的气体而形成于冰层之下[53][54]（参见火星的喷泉）。航海家2号观测到海王星的卫星海卫一喷发氮的状况一般认为是类似的机制。

太阳风[编辑]

火星在40亿年前失去了它大部分的磁场。结果就是太阳风和宇宙射线可以直接和火星的电离层发生交互作用。这使火星大气层保持比原始状态稀薄，否则太阳风将持续从火星的外气层不断将原子剥离[55]。历史上火星大部分大气层的丧失可以追溯到太阳风的作用。最近的理论降低了太阳风的重要性，因此今日在太阳风较强时的大气层剥离效应已经远低于过去[来源请求]。

季节[编辑]

参见：火星天文学
在春季，水冰的升华会使冰层下的砂在季节性水冰的顶部形成扇状沉积。

火星的转轴倾角是25.2°。这代表火星就像地球一样有季节变化。火星的轨道离心率是0.1，远大于地球的0.02。较大的轨道离心率造成火星的日射量在一个公转周期中变化（火星年约687日，接近二个地球年）。像地球一样，火星的转轴倾角主导了季节变化，但因为其大轨道离心率，火星南半球的冬季长而寒冷，这时是北半球短而温暖的夏季。

火星的季节长度是不同的，如下所示：

季节 火星太阳日 地球太阳日
北半球春季、南半球秋季 193.30 92.764
北半球夏季、南半球冬季 178.64 93.647
北半球秋季、南半球春季 142.70 89.836
北半球冬季、南半球夏季 153.95 88.997

岁差对转轴倾角和轨道离心律的改变造成全球暖化或全球寒冷，周期为17万年[56]。

就像地球，火星的转轴倾角会有周期性变化，造成长时间的气候变化。再一次地，因为火星缺少大卫星作为稳定之用，这效应比地球更加明显。结果就是火星的转轴倾角变化可达到45°。法国国家科学研究中心的雅克·拉斯卡尔（Jacques Laskar）认为这些周期性气候变化的效应可以在火星北极冰冠的各地层中得知[57]。目前的研究表明火星在一个温暖的间冰期已经超过 10 万年 [58]。

因为火星全球探勘者号观测了四个火星年的时间，发现了每个火星年的天气都相似。任何的不同和到达火星的太阳能量有直接关系。科学家甚至可以精确预测沙尘暴将在小猎犬2号的登陆地点发生。现已发现区域性的沙尘暴与何处可以提供形成沙尘暴的沙有密切关系[59]。

最近的气候变化证据[编辑]

在火星南极冰冠的坑洞，火星全球探勘者号于1999年拍摄。

在之前数个火星年中，火星的南极（南极高原）已经有所改变。1999年火星全球探勘者号拍摄到了火星南极冰冻二氧化碳上的坑洞。因为这些坑洞的形状和方向，那些坑洞就是所谓的瑞士干酪特征地形。2001年的影像中再次发现坑洞，并且比之前更大，大约在一个火星年中变化了 3 米[60]。

这些特征是因为干冰层升华使内部较不易被升华的水冰层暴露而形成。

最近的观察表明火星的南极是持续升华的。火星轨道摄影机的主持人麦可·马林说；“目前是以惊人的速度升华”[61]。 冰上的坑洞平均以一个火星年扩大三米的速度增大。马林指出，火星上目前的状态不适合形成新的水冰。NASA 的一篇新闻稿指出“火星上的气候变迁正在进行中”[62]。根据火星轨道摄影机观测总结，科学家认为一些干冰已在水手9号和火星全球探勘者号两者探测火星之间就已存在。基于目前的流失率，目前所有的沉积物将会在一百年间消失[59]。

在火星其他的区域中，低纬度地方所含的水比其气候条件所认为的量要多[63]。NASA 喷气推进实验室的2001火星奥德赛号主持人杰佛瑞·普罗特于2003年一个非同行评审的刊物中声明，该任务告诉我们火星上最近的全球气候变迁。

归因理论[编辑]

造成极区改变的理论[编辑]

安东尼·卡拉普瑞特等人以火星大气环流模式进行的模拟中显示火星南极的气候可能在不稳定时期。模拟的不稳定性基于该区域的地理，导致作者推测极区冰的升华是区域性，而非全球性的现象[64]。研究人员发现，即使在两极中稳定的日照光度是固定的，火星两极仍然是处在沉积和蒸发水冰之间的状态。改变状态的触发器可以是增加大气层中的尘埃或因为水冰在两极的形成或蒸发造成反照率的改变[65]。这个理论是有些问题的，因为目前缺乏2001年全球性沙尘暴之后的水冰沉积资料[66]。另一个问题是火星大气环流模式的精确度会因为规模越接近区域性而逐渐下降。

有人认为观测到的南极冰层区域性变化几乎可以确定是区域性气候变迁造成，而非全球性变化[56]。在《自然》期刊中发表文章的新闻语专栏部主任奥利佛·摩顿说：“其它太阳系天体的气候暖化已经被气候怀疑论者掌握。在火星上，气候暖化的原因似乎是因为尘埃被吹走，造成底部大范围的黑色玄武岩暴露而加热了表面”[67][68]

太阳辐射造成火星全球暖化[编辑]

尽管缺少火星全球性气温时序变化，哈比布罗·阿布萨马托夫提出已观察到在火星和地球发生了“平行全球暖化”，这是因为同一个因素：长时间的太阳辐射量改变[69]。虽然一些气候怀疑论者以此学说要证明人类并未引起气候变迁，阿布萨马托夫的假说并未被科学界接受。他的理论并未发表在同行评审期刊，并已被其他科学家以“该论点未被理论或观测支持”和“这不符合物理概念”驳斥[70] 。其他科学家则认为观测到的变化是因为火星轨道的不规则变化或可能的太阳辐射和轨道变化合并作用引起[71]。

火星气候区[编辑]

地球的气候区最早是由弗拉迪米尔·彼得·柯本根据植被分类的。气候分类则进一部根据气温、降水量分类，并根据季节性的气温和降水分布细分；而在高海拔区域等超地带区域气候则是独立的气候分类群。火星并无植物和降水，只能以表面温度进行气候分；一个更进一部完善气候分类的系统可能是基于尘埃的分布、水蒸气含量和雪的发生。日照气候区（Solar Climate Zones）也可在火星上简单定义[72]。

目前的任务[编辑]

2001火星奥德赛号目前仍环绕火星，并使用热辐射成像系统进行火星全球性大气温度量测。火星侦察轨道器则观测火星每日的气象和气候变化，其火星气候探测器是专门做为气候观测。火星科学实验室的火星车于2012年抵达火星展开探测[73]。

未来任务[编辑]

2013年的火星侦察兵计划MAVEN是研究气候对火星高层大气影响的最终选择任务。

参见[编辑]

注释[编辑]

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