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首度發現火星大氣有水汽過飽和現象

經由歐洲太空總署(ESA)火星特快車號(Mars Express)太空船上的SPICAM光譜儀觀測資料,科學家首度在火星大氣中發現水汽過飽和(supersaturation)現象,讓科學家得以瞭解火星大氣中的水循環現象和演化歷史。相關論文發表在科學(Science)期刊中。

過去半世紀以來雖然已有多艘太空船拜訪過火星,但鮮少直接測量火星大氣的垂直結構。大部分太空船的儀器都是直接觀察表面,看到的是大氣氣體在水平方向的分佈狀況,但如此一來就無法清楚知道水汽如何與大氣混合;而若無法知道水汽的垂直分佈狀況,也就無法知道火星上的水文循環(hydrological cycle);換言之,水汽垂直分佈是瞭解火星水文循環的最關鍵的要素。目前對火星大氣水文循環的理解,都是透過火星的全球氣候模型的電腦模擬方式,並不準確。

由於SPICAM光譜儀(Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars)可在紅外波段使用掩星模式(occultation mode)進行觀測,法國科學家Luca Maltagliati等人利用日出或日落時分來研究太陽光穿越火星大氣狀況,如此一來就可測量並分析數種大氣組成隨高度變化的的垂直分佈狀況,其中當然也包括水汽。

SPICAM於北半球處在春季與夏季之時進行測量,測量結果讓Maltagliati等人十分驚訝,因為他們發現火星大氣中的水汽垂直分佈,竟迥異於先前的理論假設,明顯呈現過飽和現象。

火星大氣中的水汽含量僅有地球大氣的萬分之一以下,然而水汽是變動性非常大的追蹤氣體(trace gas),常隨火星季節變化而變化。在正常地球狀況下,當氣溫降到所謂的「露點(dew point)」以下時,水汽(氣態)會凝結或凝華在微塵、懸浮粒子或鹽粒等「凝結核(condensation nuclei)」周圍而形成水滴(液態)或冰晶(固態),此時就說大氣已經「飽和(saturated)」了,在此氣溫與氣壓下,大氣已無法容納更多的水汽,任何多出的水汽,都會凝結成水滴或冰晶。然而,當大氣中的懸浮塵粒等凝結核非常稀少時,水汽無處可凝結,則即使氣溫降到露點以下也不會凝結或凝華,如此一來便形成了過飽和現象。

Transport of water vapour in the Martian atmosphere. Credit: ESA/AOES Medialab  到目前為止,科學家通常假設火星大氣中不存在過飽和現象,任何過多的水汽通常都會立即轉化為冰。但是SPICAM資料顯示:當火星位在遠日點附近時,離地表約50公里高的中層大氣常常發生水汽過飽和現象,而且過飽和程度非常高,相當於地球上類似現象的10倍以上。這表示:很明顯的,火星高層大氣中的水汽含量必定多得超乎想像,所以先前的電腦模擬顯然大大低估了火星地表上空20~50公里高的水汽含量,若根據這次新的觀測料,這個高度內的水汽含量約為原電腦模擬預測的10~100倍左右。

根據Maltagliati等人的新發現,火星水文循環模型必須修正飽和水汽物理過程部分,如此一來才能瞭解火星全球氣候和水汽從一個半球傳輸到另一個半球的過程。此外也顯示:有更多得水汽被帶到大氣夠高的地方而受到光解離(photodissociation)的影響,也就是太陽光會將水分子分解成氧原子和氫原子,之後這些原子便逃逸至太空中。這個過程能解釋火星水汽流失的速率,也能解釋火星地表和大氣的長期演化狀況。

SPICAM本次測量時機是在火星大氣中塵埃含量極少的時節;缺乏塵埃讓儀器能清楚測量火星大氣接近地表約10公里範圍內的垂直分佈狀況。在進入南半球夏季後,沙塵暴揚起大量沙塵進入大氣中,有了足夠的凝結核,過飽和層當然就會消失了。

資料來源:ESA orbiter discovers water supersaturation in the Martian atmosphere

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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