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現實中的「沙丘行星」:為何火星上有颳不完的塵暴?——《穿越 4.7 億公里的拜訪》

三民書局_96
・2021/11/27 ・3042字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者/前NASA太空任務科學家 李傑信

從南極巨大冰帽逃逸出來的大量氣體,在日夜劇烈溫差的牽動下,經常引起大規模的塵暴,情況嚴重時,可覆蓋火星全球,掩遮一切地表,就如「水手九號」初臨火星時一樣,塵暴肆虐,地表深藏,一兩個月後才得平息。

塵暴來襲時,能見度極低,難以觀察地貌。圖/Pixabay

當火星塵埃滿天時,大氣吸熱能力增加,可提高火星大氣溫度攝氏 20~30 度。揚起灰塵的總量,有 7 億多立方公尺,可覆蓋火星全球地表 1/10 頭髮厚度。在地面望遠鏡觀測時代,常看到火星隔夜「山河變色」,都是因為塵暴攜帶大量灰塵所致。塵暴平息後,灰塵重新分布,大規模改變了地表顏色,面積有時可達半個美國大陸的大小。

塵暴的另一巨大功能,是對地表進行風蝕作用。「維京人號」登陸之時,科學家不但要憂慮高低不平的隕石坑,和經隕石撞擊而散落在各處的岩塊,還要憂慮火星亙古的風蝕作用,可能已把所有岩石揉成細沙,甚或流沙,可能會將登陸艇吞沒。

所以,當「維京人號」安全落地,發現腳下是堅實的土地,並還有許多大小不一的岩塊樣品留下時,對我們來說,是一個意外的驚喜。

「維京人一號」軌道衛星,在 1976 年為「維京人二號」登陸小艇尋找登陸地點時,在北半球攝得一張所謂「火星人面像」(Face on Mars,圖 6-1)。照片中央的人面約 1,500 公尺大小,太陽由左上方以20度角射入。其他各類散布的岩塊,都有明顯風化跡象。「火星人面像」可能就是由塵暴「雕塑」成的。

圖 6-1:1976 年由「維京人一號」軌道衛星攝得之「火星人面像」。圖/NASA

「火星人面像」公布後,引起「八卦族」密切關懷,認為是「火星人」的藝術作品,對美國航太總署不肯說「實話」公布「詳情」大表不滿,紛紛提出媒體控訴,熱鬧了好一陣子。

「火星人面像」被媒體炒作 30 年後,美國航太總署在 2007 年,特別以新一代「火星勘測軌道飛行器」(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) 上的「高解析度成像科學設備」(High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE),取得一張解析度為 90 公分的高鑑別率照片(圖 6-2),秋毫畢露地呈現出「火星人面像」的確是由塵暴「雕塑」而成的礫丘。美國航太總署耐心地等候了 30 餘年的時間,認真處理了一般老百姓熱衷的火星八卦事件,「火星人面像」至此完全謝幕。

圖 6-2:美國航太總署在 2007 年 4 月 5 日取得一張高鑑別率「火星人面像」。圖/NASA

火星塵暴的確產生了大規模的風化作用,造成了包圍在北極四周的巨大沙漠和零星散布在各地的沙丘區 (sand dunes field)。比較起來,北半球受風蝕情況較為嚴重,沙礫常將隕石坑埋住,形成平坦的地表。南半球隕石坑滿布,銳利鮮明,似乎沒受到什麼塵暴的蹂躪,間或,一些構造特殊的沙丘零散其間。

1999 年 5 月 5 日,「火星全球勘測衛星」在赫歇爾隕石坑(Herschel Crater,南緯 15 度,西經 229 度)內東側,發現一類奇怪的沙丘(圖 6-3)。沙丘中夾雜著一些深刻的紋路 (grooved),紋路中的沙子好像被強風吹走,沙丘表面猶如被膠水黏住,很像是水滲透沙丘後整體被凝固造成的效果,但真實原因仍不清楚。

圖 6-3:火星塵暴產生了大規模的沙丘。圖/Malin Space Science Systems,NASA

基準面

火星沒有海洋,沒有海平面,地勢起伏以人為規定的基準面 (Datum Surface) 為準。基準面是火星地表大氣壓為 610.7 帕的高度,在這個氣壓下,水的沸點為攝氏 0 度。火星高地,氣壓比基準面低;火星盆地、窪地,氣壓則比基準面高,概念上與地球以一大氣壓(1.013×105 帕)為海平面高度類似。

宏觀上,火星南半球地勢比基準面高,尤其在南緯 25~75 度之間,可高出基準面 2.5 公里至 6.5 公里不等;相反地,北半球地勢低窪,平均在基準面下 2 公里多,唯有連綿 4,000 公里的塔西斯高地高出基準面有 5 公里之多。

但沒人知道火星的南、北兩半球地勢差形成的原因。

塔西斯高地,包括西北方的奧林帕斯山,組成了太陽系第一火山群奇觀。發育不良的火星可謂卯足了勁,噴出了太陽系最偉大的火山,爭取到人類對它的尊敬和讚嘆。

從塔西斯高地往東南方望過去,在赤道南邊,有一條 4,500 公里長、寬 250 公里、深 8 公里的水手號谷。在地球上,美國大峽谷長 450 公里、寬 25 公里、深 1.5 公里,可輕易裝入水手號谷支谷裡。東非大裂谷,長可略比,但寬、深不及。從火星軌道上觀看,水手號谷像是被刀子刮出一道深深的傷痕,中間寬,近圓形,兩邊以錐形向東、西方向射出。小個兒火星,又創出另一個太陽系奇觀。除搶眼的水手號谷和巨大的火山口外,圖 6-4上還有一條由南向北長達 4,000 多公里的凱西谷 (Kasei Valles),構成塔西斯高地的東緣,如地球的長江大河,清晰可見,是火星上最大的一條乾涸河道。

圖 6-4:火星赤道南邊的水手號谷。圖/NASA,USGS

雖然地質學家目前還搞不清楚塔西斯高地形成的原因,但水手號谷可能是它闖出的禍。原因是造高地需要材料,從地下吸,會引起在水手號谷處塌方。另一個理論認為,水手號谷是火星初期的板塊運動撕出的裂谷,但火星比地球小很多,散熱快,內部熔融的地函迅速凝固,板塊運動早已胎死腹中,未能繼續發展。

在多次去加州噴射推進實驗室出差期間,有一張奇特的水手號谷照片引起了作者極大的興趣。這是一張由東(南緯 12 度,西經 65 度)朝西向水手號谷中央(南緯 8 度,西經 75 度)望去,非常接近火星地表的俯瞰圖片(圖 6-5),谷壁結構清晰,支谷錯綜複雜,天地交接處,谷景開闊,氣勢磅礴。谷外地形平坦,隕石坑零星分布。這張照片有很多標題,作者最喜歡的是:「如身臨其境」(The next best thing to being there.)。

圖 6-5:由東朝西向水手號谷中央望去的俯瞰圖片。圖/NASA/JPL/ USGS/ 李佩芸

作者託同事打聽,找到了這張照片的作者,是當今在噴射推進實驗室工作的李佩芸,加州理工學院電腦博士,是一位傑出的電腦模擬科技領導人才。她和她的工作小組成員使用「維京人號」原始高空照片,在電腦上轉換成低角度俯視,並增加谷深 5 倍,共用了 842 百萬位元組。這些成果被美國地質觀測所 (U.S. Geological Survey, USGS) 採納,製成低空飛越水手號谷的錄影帶,供大眾觀賞。

「火星全球勘測衛星」於 1998 年 1 月 1 日傍晚,在繞火星第 80 圈時,攝得一幅鑑別率高達 6 公尺的水手號谷中一個小谷脊照片,涵蓋了 9.8 公里×17.3公里的面積(圖 6-6)。照片中央為平坦的小谷脊,最寬處近 6 公里,兩邊斜坡陡峻,呈束狀,向北(圖上方)、南(圖下方)兩方向滑去。岩石結構多層次,由數公尺到數十公尺不等。在地球上,這類地形可能由沉積而成,如亞利桑那州的大峽谷,或由火山形成,如夏威夷考艾島(Kauai)上的威美亞山谷 (Waimea Canyon)。這些層次分明、厚實的岩石結構,說明了火星地質成因有著豐富和活躍的歷史背景。

若由水手號谷大膽朝南方高緯度方向邁出,最終會抵達南極。

圖 6-6:水手號谷中一個高鑑別率的小谷脊照片。圖/NASA,USGS

——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪:追尋跟著水走的火星生命》,2021 年 7 月,三民

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三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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致我們青澀的初戀——踏入晴道、也英的火星世界
Mia_96
・2022/12/26 ・1800字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

「也英,你還好嗎?但願你沒有感冒,今年的火星看起來特別亮,是本世紀火星距離地球最近的時候,當我看到明亮的星星時,就覺得你彷彿在我身旁。」晴道在少年時寫給也英的信中這麼說道。

接近人生半百,當晴道再次與也英相遇後,這麼恰好的,火星再次接近地球,劇中晴道與也英於札幌天文台享受著天文景象,究竟在望遠鏡中,他們看到的景象為何會產生?

晴道與也英的人生彷彿都與天文現象班暗示性的相像,也都與天文現象彼此相關。圖/IMDb

揭開接近地球的火星之時——火星衝

太陽系中的八大行星皆繞著恆星太陽公轉,但因各行星距離太陽的遠近不同,造成公轉軌道路徑長度差異,而行星的公轉軌道與速度進一步影響著其公轉週期。八大行星中每一顆行星的公轉週期皆不一樣,也因此,造成每天行星與恆星、行星與行星間的相對位置也都有所差異。

「衝」在天文現象中意指行星(地球軌道外)與太陽、地球,連成一直線的現象。當衝發生時,代表此顆行星整夜可見,且在天空中的亮度極亮!但正如同上文所述,因每顆行星之公轉週期有所差異,所以並非每一年都會發生衝。例如劇中晴道與也英所觀測的「火星衝」,週期約為 780 天,大約每經過 2 年 49 天便會發生一次。 

衝(opposition)為太陽、地球與外行星連線之位置,若太陽、內行星與地球連線時則會稱為合(conjunction)。圖/Wikipedia

長大後的晴道、也英所觀測的火星衝發生在 2018 年,亮度極亮的火星配上恰好的觀測時間,便是觀測火星的最佳時間點!

火星公轉太陽一圈約需 687 個地球日,代表在火星上度過的一年接近於地球的兩年(代表如果在火星上等待下一次跨年的時間會更長!)圖/Pixabay

而在 2022 年 12 月初時,也發生了一次火星衝!這次火星的視星等亮度達到 -1.9 等,預測將會是未來十年內最亮的火星衝,但如果錯過這次也沒有關係,在 2033 年時會發生亮度更亮的火星衝,目前預估視星等亮度可以達到 -2.5 等呢!(星等值越小越亮!)

因火星公轉太陽軌道並非正圓形,故每一次的火星衝亮度也皆會稍有不同。圖/臺北市立天文科學教育館

滿載希望的希望號

除卻火星衝外,日本 1998 所發射的希望號探測器(のぞみ)也是年少的也英殷切期待的天文任務。當時日本為促使國民對於火星產生興趣與探索,舉辦於希望號中搭載姓名的活動,也英的名字也跟著希望號一起進行宇宙探索。

希望號原本的目標與任務是觀察火星上大氣層,與火星受太陽風作用的影響。但在 1998 年發射後,希望號的推進器出現故障,不只大量消耗燃料,還造成希望號進入火星軌道的時間延長,後又於 2002 年受到太陽劇烈活動的影響電力系統受到破壞。最終,希望號於 2003 年 12 月失聯,未能順利完成火星的探測任務。

希望號未能順利完成任務,彷彿暗示著也英的人生也同樣遇到瓶頸與挫折。圖/IMDb

未完待續的火星之旅

火星因其醒目的紅色外觀一直為人們所關注與追尋的星球(西方更將其取名為 Mars,即為羅馬神話中的戰神),且因火星具有與地球相似的環境條件,科學家一直將火星作為移居星球的選項之一,也設想過將火星「地球化」,使其更加適合人類居住。

但人們是否有改變火星的權利,又或者我們對於火星是否有足夠的了解,或許等到未來更多次嘗試的火星任務後才能知曉答案,正像是晴道說的:「要想知道是不是命中註定,你必須全心投入進去。」

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看不見的歐若拉——物理學家解釋火星上極光的成因
Ash_96
・2022/07/05 ・4548字 ・閱讀時間約 9 分鐘

極光。圖/envato elements

形成極光的要素有三,其中之一就是磁場。地球具有覆蓋全球的磁場,可以在兩極地區生成北極光和南極光;然而,火星沒有覆蓋全球的磁場,因此火星上的極光並非出現在兩極,只能在特定區域生成。

近期,愛荷華大學領導的研究團隊,根據美國航空暨太空總署(NASA)火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)探測器的數據,確認了火星離散極光是由太陽風和火星南半球地殼上空殘存的磁場相互作用所生成

極光三要素:大氣、磁場、高能帶電粒子

在介紹火星前,讓我們先把鏡頭轉到地球,談談地球上的極光在哪裡形成,以及如何形成。

地球極光出現的區域稱為極光橢圓區(auroral oval),涵蓋北極與南極地區,但並非以兩極為中心;換句話說,極光橢圓區也涵蓋了極圈以外的部分高緯度地區。另外,極光橢圓區的寬度與延伸範圍,會隨著太陽黑子 11 年的循環週期而變動。

當太陽風和地球磁層的高能帶電粒子被地球磁場牽引,沿著磁力線加速往高緯度地區移動,最後和大氣中的原子碰撞時,就會形成多采多姿的極光。

綜合以上所述,可以得知極光的三個要素是:大氣、磁場、高能帶電粒子。

地球上這些「指引我們美妙未來的魔幻極光」,若屬於可見光波段,就能用肉眼觀測,並以相機記錄這夢幻舞動的光線。

極光橢圓區與地理北極、地磁北極相對位置圖。其中紅色實線表示極圈範圍,綠色區域則為極光橢圓區。圖/National Park Service

火星的大氣層、磁場以及離散極光

在介紹離散極光之前,得先介紹它的幕後推手——行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field,IMF)。IMF就是太陽風產生的磁場,在行星際空間主導著太陽系系統內的太空天氣變化,並阻擋來自星際間的高能粒子轟擊。

那麼 IMF 是如何產生的呢?當太陽風的高能帶電粒子從太陽表面向外傳播,會同時拖曳太陽的磁力線一起離開;太陽一邊自轉一邊拋射這些粒子,讓延伸的磁力線在黃道面上形成了螺旋型態的磁場。

以蛋糕裝飾來說明的話,太陽就像是在轉盤上的蛋糕,太陽風粒子就是擠花裝飾;而當蛋糕一邊以固定速度自轉,擠花逐漸向外擴散的同時,就會在蛋糕產生螺旋狀的軌跡。

因為太陽一邊自轉,一邊拋射太陽風的關係,IMF的磁力線會扭曲呈現如圖的螺旋狀。圖/維基百科
蛋糕的螺旋狀擠花。影片/Youyube

對太陽風和 IMF 有基本認識之後,讓我們把鏡頭轉向火星,談談火星的大氣層和磁層和地球有什麼不同。

相較地球來說,火星的大氣層非常稀薄。這是因為太陽風的高能粒子轟擊火星大氣層,強大的能量將大氣層的中性原子解離為離子態,導致大氣層的散失;該過程稱作濺射(sputtering),發生在火星大氣層的濺射主要透過兩種方式達成—–第一,在 IMF 的作用之下,部分的離子會環繞磁力線運動,隨著 IMF 移動而被帶離火星;另外一部份的離子則像撞球一般,撞擊其他位於火星大氣層頂端的中性原子,引發連鎖的解離反應。 

MAVEN 任務的領銜研究員 Bruce Jakosky 說明,根據團隊研究的成果,太陽風的濺射效應會將火星大氣層中的惰性氣體氬解離,並將這些氬離子從大氣層中剝離。火星大氣層內氬的同位素(質子數相同,但是質量不同的元素)以氬-38 以及氬-36 為主,後者因為質量較小而較容易發生濺射。

藉由氬- 38 和氬-36 的佔比,Jakosky 的團隊推估火星約有 65% 的氬已經散逸至外太空。基於該研究結果還可以推算出火星大氣層中其他氣體的散逸情形;其中又以二氧化碳為焦點,畢竟行星需要足夠的溫度才能維持液態水的存在,而二氧化碳在溫室效應有很大的貢獻。

火星的大氣層因為太陽風的濺射效應逐漸被剝離。圖/NASA

接著,讓我們一探究竟火星磁場與地球有何不同。地球能形成全球磁場的奧秘是什麼呢?這要先從行星發電機理論開始說起,該理論指出行星要維持穩定的磁場有三個要件——導電流體、驅動導電流體運動的能量來源、科氏力。

以地球為例,地核內部保留了地球形成初始的熱能,約有 4000°C 至 6000°C 的高溫。位於地核底層的高溫液態鐵,因為密度下降而上升至地核頂端,接觸到地函時,這些液體會喪失部分熱能而冷卻,因為溫度比周圍環境低,密度變高而下沉;如此不斷的熱對流循環下,讓帶有磁力的流體不斷運動,進而形成電磁感應。另外,科氏力的作用讓地球內部湧升的流體偏向,產生螺旋狀的流動效果,有如電流通過螺旋線圈移動的效果。

在火星所發現的地殼岩石證據顯示,火星在數十億年前曾經和地球一樣具有全球的磁場。科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,其中一種假說認為可能跟火星質量較小有關,在火星形成之初散熱較快,造成火星外核液態鐵短時間內就凝固,無法像地球一樣,保留高溫地核使液態的鐵和鎳因為密度的變化,不斷從地核深處上升至地函,再冷卻下降,持續進行熱對流。

火星地核內部缺乏驅動導電流體的原動力,導致火星內部的發電機幾乎停止運轉,無法形成全球的磁場。話雖如此,火星仍然具備小區塊的磁場,主要分布在火星南半球留有殘存磁性的地殼上空。

行星發電機理論中科氏力影響行星地核內熱對流的導電流體偏向。圖/Wikipedia

磁層與大氣層相互依存,火星在太陽風不斷吹襲之下,大氣層愈趨稀薄;火星內部又缺乏發電機的動力,無法形成完整的磁層。火星缺乏厚實的大氣層保護,就難以阻擋外太空隕石的猛烈攻勢,因此如今呈現貧瘠乾燥又坑坑疤疤的外貌。

既然這樣,看似缺乏極光形成要素的火星,又是如何形成極光的呢?

雖然火星沒有覆蓋全球的磁層作為保護,但火星南半球仍帶有區域性的磁場。在那裡,磁性地殼形成的殘存磁場與太陽風交互作用,滿足了極光生成的條件。這種極光被稱為「離散極光」,與地球上常見的極光不同,有些發生在人眼看不見的波段(比如紫外線),所以也更加提升了觀測難度。

那麼,研究團隊是怎麼發現這種紫外線離散極光的呢?那就是藉由文章首段提到的 MAVEN 探測器所搭載的紫外成像光譜儀(Imaging Ultraviolet Spectrograph,IUVS)!

該團隊的成員 Zachary Girazian 是一位天文及物理學家,他解釋了太陽風如何影響火星上的極光。

火星離散極光的發現

研究團隊根據火星上離散極光的觀測結果,比較以下數據之間的關係——太陽風的動態壓力、行星際磁場(IMF)強度、時鐘角和錐角[註 1] 以及火星上極光的紫外線,發現在磁場較強的地殼區域內,極光的發生率主要取決於太陽風磁場的方向;反之,區域外的極光發生率則與太陽風動壓(Solar Wind Dynamic Pressure)關聯較高,但是太陽風動壓的高低則與極光亮度幾乎無關。

N. M. Schneider 與團隊曾在 2021 年的研究發表提到,在火星南緯 30 度至 60 度之間、東經 150 度至 210 度之間的矩形範圍內,當 IMF 的時鐘角呈現負值,如果正逢火星的傍晚時刻,較容易觀測到離散極光;也就是說在火星上符合前述的環境條件很可能有利於磁重聯(Magnetic Reconnection)——意即磁場斷開重新連接後,剩餘的磁場能量就會轉化為其他形式的能量(如動能、熱能等)加以釋放,例如極光就是磁重聯效應的美麗產物。

未來研究方向:移居火星

因為火星上離散極光的生成與殘存的磁層有關,而磁層又關乎大氣的保存。所以觀測離散極光的數據資料,也能作為後續追蹤火星大氣層逸散情形的一個新指標。愛荷華大學的研究成果,主要在兩個方面有極大的進展——太陽風如何在缺乏全球磁層覆蓋的行星生成極光;以及離散極光在不同的環境條件的成因。

人類一直以來懷抱著移居外太空的夢想,火星是目前人類圓夢的最佳選擇;但是在執行火星移民計畫之前,火星不斷逸散的大氣層是首要解決的課題。缺乏覆蓋全球的大氣層保護,生物將難以在貧瘠的土壤存活。或許透過火星上極光觀測的研究成果,科學家們將發掘新的突破點;期許在不久的將來,我們能找到火星適居的鑰匙。

  • 註1:IMF 的時鐘角(Clock Angle)與錐角(Cone Angle)

如何判定 IMF 的角度呢?因為磁場空間是立體的關係,我們測量 IMF 方向切線與 X、Y、Z 軸之間的夾角——也就是運用空間向量的概念,來衡量 IMF 的角度。時鐘角是指 Y、Z 軸平面上,IMF 方向與 Z 軸的夾角;而錐角則是在 X、Y 平面上,IMF 方向與 X 軸之間的夾角。

IMF 時鐘角和錐角示意圖。圖/ResearchGate

參考資料

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  2. Z. Girazian, N. M. Schneider, Z. Milby, X. Fang, J. Halekas, T. Weber, S. K. Jain, J.-C. Gérard, L. Soret, J. Deighan, C. O. Lee. Discrete Aurora at Mars: Dependence on Upstream Solar Wind Conditions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, Volume 127, Issue 4.
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  4. Michelle Starr. For The First Time, Physicists Have Confirmed The Enigmatic Waves That Cause Auroras. ScienceAlert.
  5. Southwest Research Institute. SwRI Scientists Map Magnetic Reconnection In Earth’s Magnetotail.
  6. 呂凌霄。太空教室學習資料庫
  7. 頭條匯。火星上的「離散極光」是如何形成的?物理學家有新發現,帶你揭秘
  8. Wilson Cheung。【北極物語】承載北極文化──極光。綠色和平
  9. 大紀元。火星上的極光是如何形成的? 科學家解謎
  10. BBC News 中文。北極光:美國科學家首次在實驗室驗證北極光產生原理
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  13. 交通部中央氣象局太空天氣作業辦公室。太空天氣問答集
  14. Denise Chow. In an ultraviolet glow, auroras on Mars spotted by UAE orbiter. NBC News.
  15. NASA. NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere.
  16. NASA Goddard. NASA | Mars Atmosphere Loss: Sputtering.
Ash_96
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外交系畢業,很多人看成外文(是不是又回頭看一次? ) 常常在外向與保守的極端之間擺盪;借用朋友說的詞彙,我屬於營業式外向。 喜歡踩點甜點店和咖啡廳,大概是嚮往那種文青都會女子的感覺,或是純粹愛吃。 喜歡k-pop ,跳舞的時候會自動設定為開演唱會模式,自我催眠現在我最帥。