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誰脫了火星的外衣?–太陽風剝光火星大氣

2015/11/07 | | 標籤:
source:NASA

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譯 / 歐柏昇

是誰造成火星表面不再適合居住?

美國國家航空暨太空總署( National Aeronautics and Space Administration, NASA)的火星大氣與揮發物演化(Mars Atmosphere and Volatile Evolution, MAVEN)任務,確認了一個關鍵的過程,可能使得火星氣候,從溫暖潮溼、可能支持表面生命的環境,轉變為今日寒冷乾燥的行星。

MAVEN的數據,讓研究人員能夠定出目前火星的大氣層,被太陽風剝蝕而流向太空的氣體流失率。這些發現顯示,太陽風暴期間,火星大氣受到的侵蝕明顯增加。此任務的科學結果,發表在11月5日的《科學》期刊和《地球物理研究通訊》。

華盛頓的NASA科學任務部副主任及太空人約翰.格倫斯菲爾德(John Grunsfeld)說:「火星看起來曾經有厚的大氣層,足夠溫暖而得以維持液態水。液態水是我們目前所知生命所需的關鍵成分和物質。了解火星大氣發生了什麼事,將會告訴我們關於任何行星大氣的動力與演化的知識。知道行星的環境,為何從微生物可以居住在表面,轉變為無法居住的環境,是非常重要的事。這是NASA火星之旅所提出的關鍵問題。」

太陽風就像「小偷每天從收銀機偷走幾個硬幣」

MAVEN的測量指出,太陽風以每秒100公克的流率剝去火星的氣體。科羅拉多大學波德校區的MAVEN首席研究員Bruce Jakosky說:「就像小偷每天從收銀機偷走幾個硬幣,長時間下來,損失就變得很嚴重了。我們看到在太陽風暴時,大氣層受到的侵蝕明顯增加,因此我們認為,在幾十億年前,太陽還很年輕、更有活力時,流失率會更高。」

另外,一連串劇烈的太陽風暴,在2015年3月襲擊火星大氣,而MAVEN發現大氣加速流失。過去「流失率提高」與「太陽風暴增強」現象之結合,暗示著大氣向太空的流失,可能是改變火星氣候的主要過程。

太陽風是以質子和電子為主的粒子流,以大約每小時一百多萬公里的速率,從太陽的大氣層流出。太陽風攜帶的磁場,流經火星時可產生電場,就像地球上的渦輪機可以用來發電。(譯註:利用渦輪機發電,需要磁鐵和線圈(電線),稱為「電磁感應」原理。這裡的比喻當中,太陽風相當於磁鐵,而火星大氣相當於線圈,視同在火星大氣中通電。)此電場會將火星上層大氣中離子(帶電的氣體原子)加速,並射向太空。

MAVEN檢測太陽風和紫外光如何從行星大氣頂端,把氣體剝去。新的結果指出,這顆紅色星球上有三個不同的區域,發生這樣的流失:太陽風朝火星背面吹去的「尾巴」之下、火星極區上空的「極區羽流」、以及大範圍環繞火星的雲氣。科學團隊判定,逃脫的離子有75%來自「尾部」區域,接近25%來自「羽流」區域,只有很小部分由周圍雲氣貢獻。

[圖片說明]太陽風剝蝕火星大氣之示意圖。羽流具有較高能量的粒子(紅色),但多數粒子是沿著尾部飛出。 Credit: NASA GSFC

太陽風剝蝕火星大氣之示意圖。羽流具有較高能量的粒子(紅色),但多數粒子是沿著尾部飛出。
Credit: NASA GSFC

MAVEN偵測O+離子的流動,紅色表示流量大、藍色表示流量小,箭頭代表流動的方向。

MAVEN偵測O+離子的流動,紅色表示流量大、藍色表示流量小,箭頭代表流動的方向。

  • [影片說明]這個影片利用MAVEN的資料,將太陽風從火星上層大氣剝去離子的情形視覺化。
  • Credits: NASA-GSFC/CU Boulder LASP/University of Iowa

大氣流失是火星變遷的關鍵

火星上古老的地區有豐富水的跡象──例如像河川切割出山谷的特徵,以及只有液態水存在才會形成礦物層。

最近,研究人員利用NASA的火星偵察軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO),觀察到水合鹽類季節性的出現,表示火星上存在著液態鹽水。然而,目前火星大氣太過寒冷且稀薄,行星表面無法維持常態性或大量的液態水。(譯註:可參考泛科學文章〈NASA:證實火星有流動的液態鹽水〉)

NASA戈達德太空飛行中心在馬里蘭州格林貝爾特的MAVEN計畫科學家Joe Grebowsky說:「太陽風的侵蝕,是大氣流失的重要機制,而且重要到足以造成火星氣候的明顯變化。MAVEN也在研究其他的流失過程──例如離子的撞擊或氫原子的逃脫──這些只會增加大氣流失的重要性。」

NASA的MAVEN任務在2013年11月發射前往火星,目標是判定這顆行星的大氣和水,流失了多少到太空中。這是首次有任務投入了解太陽曾經如何影響這顆紅色行星的大氣變化。MAVEN至今只在火星運作了一年(譯註:MAVEN在2014年9月18日抵達火星軌道),並會在11月16日完成首要的科學任務。

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關於作者

歐柏昇

歐柏昇

台大物理系與歷史系雙主修畢業,現為台大物理所研究生。台大天文社前社長,全國大學天文社聯盟創辦人。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。