冰冻的云层可以使早期的火星保持足够的温度来形成河流和湖泊

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绿色火星

美国国家航空航天局(NASA)刚刚登陆火星的“坚韧不拔”号(Perseverance)探测器所观察到的景象可以很好地总结出现代太空科学的一大谜团:如今,火星是一个沙漠星球,而它却坐在一个古老的河流三角洲旁边。

这个明显的矛盾已经困扰了科学家几十年,尤其是因为在火星上有流动的河流的同时,它得到的阳光还不到我们今天在地球上享受的三分之一。

但是一项新的研究由芝加哥大学行星科学家埃德温风筝,地球物理科学助理教授和其他世界的气候专家,使用一个计算机模型来提出一个有前途的解释:火星可能有一层薄薄的冰,高空云层,导致温室效应。

“我们的证据与我们从物理和化学的角度解释它的能力之间存在令人尴尬的脱节,”凯特说。“这个假设对缩小这一差距有很大帮助。”

在科学家们之前提出的多种解释中,没有一个是完全有效的。例如,一些人认为,一颗巨大的小行星的碰撞可能释放出足够的动能,使地球变暖。但其他计算显示,这种影响只会持续一两年,而古河流和湖泊的轨迹显示,变暖可能会持续至少数百年。

凯特和他的同事们想重新审视另一种解释:高空云,就像地球上的卷云一样。大气中即使是少量的云也能显著提高一个星球的温度,这是一种类似于大气中的二氧化碳的温室效应。

这个想法最早是在2013年提出的,但大部分被搁置了,凯特说,因为“有人认为,只有当云层具有令人难以置信的特性时,它才会起作用。”例如,模型显示,水必须在大气中停留很长一段时间——比在地球上通常停留的时间要长得多——所以整个前景似乎不太可能。

利用整个地球大气层的3D模型,凯特和他的团队开始工作。他们发现,缺失的部分是地面上的冰量。如果火星的大部分地区都覆盖着冰,那就会产生有利于低空云层的表面湿度,而人们认为低空云层不会给行星带来太大的温暖(甚至会让它们降温,因为云层会把太阳光反射到火星上)。

但如果只有小块的冰,比如在两极和山顶,地面上的空气就会变得更加干燥。这些条件有利于云层的高层——这些云层更容易使行星变暖。

该模型的结果表明,科学家可能不得不放弃一些基于我们自己特殊星球的关键假设。

“在这个模型中,这些云的运动方式与地球非常不一样,”凯特说。“基于地球的直觉建立模型是行不通的,因为这与地球的水循环完全不同,地球的水循环是水在大气和地表之间快速流动。”

在地球上,水几乎覆盖了地球表面的四分之三,水在海洋、大气和陆地之间快速而不均匀地流动——以漩涡和漩涡的形式流动,这意味着一些地方大部分是干燥的(撒哈拉沙漠),而另一些地方则是潮湿的(亚马逊河)。相比之下,即使在适宜居住的高峰期,火星表面的水也少得多。在凯特的模型中,当水蒸气在大气中盘旋时,它会停留。

凯特说:“我们的模型表明,一旦水进入火星早期的大气,它将在那里停留相当长一段时间——接近一年——这为长期存在的高海拔云层创造了条件。”

美国宇航局新着陆的“毅力”号漫游者也应该能够以多种方式验证这一想法,比如通过分析鹅卵石来重建火星上过去的大气压力。

科学家们说,了解火星是如何获得和失去它的温度和大气的完整故事,可以帮助我们寻找其他适合居住的世界。

凯特说:“火星之所以重要,是因为它是我们所知的唯一一颗有能力维持生命,但后来却失去了生命的行星。”“地球气候的长期稳定性是显著的。我们想要了解一个星球的长期气候稳定性会以何种方式被破坏,以及它能以何种方式(不仅仅是地球的方式)得以维持。这项探索定义了比较行星宜居性的新领域。”

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该论文的共同作者是芝加哥大学前博士后研究员利亚姆·斯蒂尔(Liam Steele),现在就职于喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory);喷气推进实验室的迈克尔·米什纳和Aeolis研究公司的马克·理查森。部分分析是在芝加哥大学研究计算中心进行的。

引文:“温暖的早期火星表面,使高海拔水冰云。”凯特、斯蒂尔、米什纳和理查森,PNAS, 2021年4月26日。资金:美国国家航空航天局。

天体生物学

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