文|顾煜祺
编辑|顾煜祺
前言
火星大气与地球大气明显不同，主要是由于其成分稀薄且成分不同。火星大气主要由二氧化碳组成，并含有微量的氮气和氩气，其压力仅为地球压力的一小部分。这种稀薄的大气层导致了显著的温度变化，地球表面的白天温度还可以忍受，但在夜间却骤降到极冷。
火星上最迷人、最具影响力的现象之一是沙尘暴。这些风暴可以覆盖整个星球，将其吞没在微红色的薄雾中。与地球上的沙尘暴不同，火星沙尘暴不仅是由风驱动的，而且还受到大气与地球表面之间复杂的相互作用的影响。
火星有什么特征呢？跟地球相比又有什么不同？
火星大气：特征和成分
火星大气是一个引人入胜的研究课题，在许多有趣的方面与地球大气不同。火星大气主要由二氧化碳 (CO2) 组成，成分非常稀薄，它蕴藏着了解火星历史、气候和未来探索潜力的重要信息。
火星大气的特点是其成分非常稀疏，仅是地球大气密度的一小部分。这种稀薄的大气主要由二氧化碳组成，约占其成分的 95.3%。相比之下，地球大气层主要由氮气（约 78%）和氧气（约 21%）组成。火星上二氧化碳的存在对地球的气候和表面条件起着关键作用。
二氧化碳的普遍存在显著影响火星上的温室效应。地球大气层通过混合温室气体吸收热量，而稀薄的火星大气层则使热量更容易逸出。
结果，火星经历了剧烈的温度变化。赤道附近的白天气温可能达到相对温和的 -10°C (14°F)，但在夜间，气温可能会骤降至 -73°C (-100°F) 左右。稀薄的大气层无法有效地保留热量，这表明地球和火星的气候动态之间存在根本差异。
与地球相比，火星上的大气压力低得惊人，平均约为 6.36 毫巴（地球平均海平面压力的 0.0063 倍）。这种低压对天气现象和地表条件具有深远的影响。一个值得注意的后果是稀薄的大气支持液态水的能力有限。
在地球上，由于大气压力，水可以在很宽的温度范围内以液态存在。然而，在火星上，低压导致液态水迅速蒸发或冻结，限制其在特定条件下仅存在于短暂的盐溶液中。
低气压也对气体和风型的行为产生影响。由于空气阻力较低，火星上的风可以达到相当大的速度，导致形成可以吞没整个星球的沙尘暴。这些风暴由风和复杂的大气相互作用驱动，有助于火星表面热量和粒子的重新分布。此外，较低的压力会影响声景，使声音传输效率低于地球上。
火星上的季节变化不仅是其轴向倾斜的结果，还受到行星偏心轨道的影响。这颗行星在其椭圆轨道上与太阳的距离经历了更明显的变化，影响了一年中不同时间接收到的太阳辐射的强度。因此，火星全年都会经历相当大的温度变化和大气条件的变化。
在南半球的夏季，太阳辐射的增加导致南极冰盖升华，将二氧化碳气体释放到大气中。这个过程导致大气暂时变稠和大气压力增加。相反，在南半球的冬季，由于二氧化碳的沉积，极地冰盖增大，导致大气压力下降。大气压力的季节性变化直接影响火星大气的行为，影响风型和大气环流。
此外，温度和大气条件的季节性变化揭示了火星椭圆轨道与其轴向倾斜之间复杂的相互作用。随着人类对火星兴趣的增强，了解其大气层不仅对于科学发现至关重要，而且对于为未来探索这颗神秘星球和潜在的居住做好准备也至关重要。
火星沙尘暴的成因
火星，这颗红色星球，因其令人着迷的、有时甚至吞没行星的沙尘暴而臭名昭著，吸引了科学家和太空爱好者的着迷。这些神秘现象是由火星环境特有的复杂因素相互作用驱动的。
火星沙尘暴的主要触发因素之一在于火星的表面特征。火星是广阔的沙漠的家园，沙漠中有大片松散的细粒物质，包括碎屑岩、灰尘和沙子。
这些表面特征创造了丰富的颗粒物来源，即使是相对较弱的风也可以轻松将其带入稀薄的大气中。这些材料的松散性质使其容易被长距离吊装和运输，为沙尘暴的开始奠定了基础。
太阳能加热在火星沙尘暴的引发中起着关键作用。当阳光照射到火星表面时，它会使地面变暖，导致其上方的空气也升温。由于行星大气稀薄，这种加热发生得很快，在较温暖的表面和上面较冷的大气之间形成了温度梯度。这些温差引起对流过程，其中热空气上升，冷空气下沉，从而引发气团运动。
太阳加热和对流过程之间的相互作用为沙尘暴的发生奠定了基础。当暖空气从地表上升时，它会在地面附近形成低压区域。周围的空气涌入这些低压区域，形成风流。当这些风遇到松散的表面物质时，它们可以将灰尘颗粒提升并悬浮到大气中，从而引发小型沙尘暴或局部沙尘暴的形成。
一旦开始，沙尘暴就可以通过正反馈循环获得动力。悬浮的灰尘颗粒吸收阳光，使周围的空气变暖，并导致气流进一步向上运动。这反过来又将更多的灰尘带入大气中，形成一个自我维持的循环，使风暴的强度和规模不断增加。随着风暴的势头增强，它可能会成为一个重大事件，尘埃颗粒会散布到地球表面的大片区域。
火星沙尘暴呈现出一系列规模，从小型的局部尘暴到大规模的、跨越行星的全球风暴。这两个类别之间的区别主要在于它们的规模、强度和启动机制。局部沙尘暴通常由前面提到的对流过程驱动，规模相对较小，影响特定区域。
它们通常是短暂的，并且可能由于表面加热变化而出现，例如当阳光比其他表面特征更强烈地照射到某些表面特征时。
另一方面，全球沙尘暴是最壮观、最具影响力的事件。这些风暴可以覆盖地球的大部分地区，使地球表面的特征变得模糊。全球风暴背后的机制更加复杂，涉及区域沙尘暴、大气环流模式和热量重新分配之间的相互作用。虽然全球风暴的确切触发因素仍然是一个研究课题，但人们相信，包括太阳加热的变化和局部风暴的存在在内的多种因素可能导致其发生。
火星沙尘暴的动力学
这颗红色星球永远神秘的特质在其迷人的沙尘暴舞蹈中最为明显。火星沙尘暴是由大气动力学、表面条件和粒子行为的复杂相互作用驱动的迷人现象。
火星沙尘暴的引发取决于行星表面细颗粒的悬浮和抬升。由于火星大气层稀薄，提升粒子所需的风速远低于地球所需的风速。
造成颗粒悬浮的关键机制之一是“突变”。在此过程中，阵风携带较大的颗粒撞击表面，驱逐较细的颗粒并使其运动。一旦进入空气，这些颗粒就会被湍流涡流和上升气流提升。
另一个重要的提升机制是“蠕变”。火星表面覆盖着一层灰尘，就像多风的海滩上的沙子一样。当风扫过地表时，它会夹带并扬起这些松散的颗粒，导致局部沙尘暴甚至更大的风暴。重力和向上气流之间的微妙平衡决定了颗粒可以被提升的高度，从而影响沙尘暴的规模和强度。
一旦在空气中传播，传输的灰尘颗粒就会在各种力的影响下进行复杂的运动。传输机制包括“盐化”，即高空携带的颗粒最终由于重力而落回地面。较大的颗粒往往沉降得更快，导致在下降过程中根据尺寸对颗粒进行分类。与此同时，悬浮在大气层较高处的较小颗粒在下降之前可以传输更远的距离。
另一方面，悬浮涉及由高空风携带的高层大气中的颗粒物。这些颗粒在最终下降之前可以传播很长的距离，从而造成沙尘暴的深远影响。粒子悬浮、盐化和下降的复
杂舞蹈塑造了火星尘埃的传输模式，影响了它们在火星表面的分布。
尘埃颗粒的大小是影响火星沙尘暴行为的关键因素。由于重力较弱且大气密度较低，直径小于 10 微米的细颗粒可以长时间悬浮在火星大气中。这些粒子散射阳光，使行星的天空呈现微红色调，并因此得名“红色行星”。此外，这些小颗粒对阳光的散射有助于大气和表面的冷却，在地球的能量平衡中发挥着重要作用。
另一方面，较大的颗粒由于质量较大和重力沉降，会更快地落回表面。这对沙尘暴动力学具有影响，因为较大颗粒的沉积可以改变表面的反射特性并影响局部温度模式。颗粒大小、大气动力学和表面条件之间的相互作用形成了一个复杂的反馈回路网络，塑造了火星沙尘暴的行为。
管理沙尘暴影响的挑战和机遇
我们星球的动态景观通常是由自然力量塑造的，这些自然力量既令人惊叹，有时又令人畏惧。沙尘暴就是其中之一，有可能重塑地形、影响天气模式并影响生活的各个方面。
沙尘暴给生态系统、经济和社会带来多方面的挑战。这些风暴可能对人类健康产生直接和深远的影响，因为吸入细颗粒物可能导致呼吸系统问题。
此外，这些风暴会损害能见度，扰乱交通网络，并对车辆和空中交通造成安全隐患。农业和基础设施也会受到影响，因为沉积物层沉积在农田上，导致农作物产量下降并破坏结构。
然而，这些挑战也带来了创新和适应的机会。技术的进步，例如改进的天气预报模型和预警系统，使我们能够更有效地预测和应对这些风暴。正在开发用于建筑和运输的创新防尘材料，以减轻沙尘沉积的影响。这些挑战刺激了空气质量监测、医疗保健和灾害管理等行业的发展，促进经济多元化并创造新的就业机会。
沙尘暴的复杂动态需要对多个科学学科进行全面的了解。跨学科研究在揭示驱动这些现象的复杂相互作用网络方面发挥着至关重要的作用。
气象学、地质学、大气科学，甚至社会科学汇聚在一起，提供对沙尘暴的起源、机制和影响的见解。通过整合不同的观点，我们可以更好地预测风暴行为、识别脆弱区域并制定有效的缓解策略。
气象研究阐明了有利于风暴形成的大气条件，而地质研究则揭示了可侵蚀物质的来源。大气科学家追踪空气中颗粒的传输路径，预测风暴如何远距离传播。社会科学通过研究人类对这些事件的反应并制定提高公众意识和鼓励做好准备的策略来做出贡献。
尾声
在陆地探索中，火星沙尘暴在行星科学中的重要性怎么强调都不为过。这些迷人的风暴不仅塑造了火星的地貌，而且还是了解这颗红色星球错综复杂的大气和气候的窗口。
它们的独特行为受到火星稀薄大气层和复杂表面特征的影响，为研究人员提供了一个独特的机会来揭示驱动另一个天体上此类动态过程的机制。
随着我们不断揭开沙尘暴的奥秘，进一步探索和研究的呼声变得更加迫切。这些现象的跨学科性质需要跨科学领域的合作来预测、减轻和适应其影响。此外，将我们的目光延伸到我们自己的星球之外，火星沙尘暴体现了我们在探索其他世界时面临的令人信服的谜题。
参考文献：
基于未来火星移民情境的系统化创新设计 金煜; 张文 设计 2023
中国发布火星全球彩色影像图 军事文摘 2023
火星探测器动力学模型优化及“天问一号”探测器定轨研究 单荃; 李培佳; 樊敏; 黄勇; 杨鹏 天文学进展 2023