科学家正在通过对火星的研究以更好地了解地球大气化学

据外媒报道,对火星大气中臭氧和水蒸气的长期研究可能有助于更好地了解地球的大气化学。一项对欧航局(ESA)MarsExpress任务数据的新分析显示,我们对这些大气气体相互作用的方式的了解还不完全。通过利用SPICAM(全称SpectroscopyfortheInvestigatio

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  据外媒报道,对火星大气中臭氧和水蒸气的长期研究可能有助于更好地了解地球的大气化学。一项对欧航局(ESA) Mars Express 任务数据的新分析显示,我们对这些大气气体相互作用的方式的了解还不完全。

  通过利用 SPICAM(全称 Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars)仪器在火星四年的观测数据–相当于地球七年半的时间,来自欧洲和俄罗斯的一组研究人员在试图使用火星全球气候模型重现他们的数据时发现了我们知识的空白。

  臭氧和水蒸气不是很好的大气伴侣。臭氧(O3) 是由组成火星大气 95% 的二氧化碳(CO2) 分子被来自太阳的紫外线辐射分解而产生的。反过来,臭氧可以被一种叫做氢自由基(HOX)的分子分解,这种分子包含一个氢原子和一个或多个氧原子。当水蒸气被紫外线分解时,氢自由基本身就产生了。

  在火星上,由于二氧化碳无处不在,所以应该会有臭氧的全球特征–除非有特定区域含有水蒸气。在这种情况下,水会分裂成氢自由基,氢自由基会在会跟臭氧分子反应并将其分离。

  因此,无论 SPICAM 在哪里探测到水蒸气,它都应该看到臭氧的减少。水蒸气越多臭氧就越少。研究小组研究了这种反向关系–反相关关系。他们发现,他们可以用一个气候模型来重现它的一般逆性质,但不能得到精确的关系。相反,对于给定数量的水蒸气,该模型只产生了 SPICAM 数据中所见臭氧的 50%。

  领导这项研究的 Franck Lefèvre 指出:“这表明,在计算机模拟中,臭氧破坏的效率被夸大了。”

  然而目前对于被这种高估的原因还不清楚。了解氢自由基在火星上的行为是至关重要的。Franck 说道:“它不仅在火星的大气化学中发挥着关键作用,而且在火星的全球组成中也发挥着重要作用。”

  这项工作中使用的化学模型是 Franck 和他的同事们专门用来分析火星的。它是基于地球上层大气的一部分模型–中间层。在约 40-80 公里的高度发现的化学成分和条件跟在火星大气中的大致相似。

  事实上,模型中发现的差异可能会对我们使用大气模型模拟地球气候的方式产生重要影响。这是因为地球的中间层包含部分臭氧层,而这将会跟在火星上发生的 HOX 相互作用一样。

  “HOX 化学对地球臭氧层的全球平衡很重要,”Franck 说道。

  因此,了解火星大气中正在发生的事情可以提高我们在地球上进行气候模拟的精度。现在通过从 SPICAM 获得的数据而建立的模型清楚地表明,有一些我们不了解的东西。那么会不会是云的作用?

  当 Franck 和他的同事介绍了 HOX 被火星云层中的冰粒子吸收的计算方法时,他们发现在他们的模型中有更多的臭氧存活了下来。这是因为 HOX 分子在分解臭氧之前就被吸收了。但这只是部分解释了他们的结果。

  “并不是在所有情况下都有效,”Franck 说道。因此,该团队还在寻找其他区域。

  一个需要进一步研究的特殊领域是在火星大气层和地球中间层的低温下测量反应速率。目前,由于这些还不为人所知,所以也可能会使模型产生偏差。

  眼下,目前的工作以定量的方式强调了我们知识的差距,该团队将使用在火星上运行的其他紫外线仪器收集更多的数据并继续他们的调查和更新模型。

  基于 Mars Express 的非凡数据集,ESA 的 Trace Gas Orbiter 从 2016 年 10 月开始环绕火星运行,现在则有了新的结果。它携带了两种仪器:ACS(全称 Atmospheric Chemistry Suite)和 NOMAD(全称 Nadir and Occultation for MArs Discovery),它们用于分析火星的大气。NASA 的 Maven 任务还携带了监测臭氧丰度的紫外线设备。所以,最终解开这个谜团的关键信息随时都可能出现。

  Mars Express 对火星大气参数及其变化的长期监测提供了一个独特的数据集,它可将火星大气作为一个复杂的动态系统进行研究。

  SPICAM 仪器首席研究员、同样来自 LATMOS 的 Franck Montmessin 表示:“也许把这些年来的时间加在一起,最终将掌握 HOX 如何真正控制火星大气的关键,而这将有助于我们对行星大气的总体理解。”

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