這場全球性的沙塵暴，讓火星大氣濕度迅速增加
對火星大氣進行分析
版權：ESA/ATG媒體實驗室
一系列火星相關的最新證據：最近席捲整個火星的沙塵暴對火星大氣層中水的影響，以及火星大氣中甲烷氣體的缺失，這些都是火星微量氣體軌道探測器（ExoMars Trace Gas Orbiter）在軌觀測第一年的科學成果亮點。
《自然》（Nature）雜誌於4月10日發表了兩篇論文，闡述了新的研究結果；同時，維也納歐洲地球科學聯盟（European Geosciences Union）的專題新聞發布會也對這些新發現進行了報道。
第三篇相關論文也已經投稿給了《俄羅斯科學院院刊》（Proceedings of the Russian Academy of Science），展示了有史以來火星淺層地表之下水-冰或含水礦物質的最詳盡的繪製地圖。
2016年10月，歐洲航天局（ESA）-俄羅斯聯邦航天局（Roscosmos）聯合發射的火星微量氣體軌道探測器（ExoMars Trace Gas Orbiter，TGO）正式抵達火星。接著，利用所需的航空制動技術，TGO花費了一年多的時間進入到它的科學軌道，距離火星表面400千米，運行周期為兩小時。
「微量氣體軌道探測器得到的第一批結果讓我們非常滿意。」ESA TGO的項目科學家霍坎?斯韋德赫姆（H?kan Svedhem）說道。
「我們的探測儀器表現得非常出色，即使是在觀測任務最初的幾個月里，提供的精確數據就已經比之前的水平高出很多。」
來自TGO的首批結果
版權：ESA/ATG媒體實驗室
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TGO的主要科學探究任務從2018年4月底開始進行，也就是火星全球性沙塵暴開始的幾個月前。這場沙塵暴最終造成了美國航空航天局（NASA）機遇號（Opportunity）火星車15年火星表面探測任務的終止。
相比之下，位於軌道上的航天器卻能對沙塵暴事件進行全面而獨特的觀測，TGO將沙塵暴的起始和發展都記錄了下來，並觀察著飛揚的沙塵對火星大氣中水蒸氣的影響，這一點對理解火星上水的歷史有著重要的意義。
利用沙塵暴，研究火星水歷史
TGO探測器上有兩台光譜儀：天底與掩日光譜儀（Nadir and Occultation for MArs Discovery，NOMAD）以及大氣化學光譜儀組件（Atmospheric Chemistry Suite，ACS）。NOMAD與ACS首次對火星大氣進行了掩日測量（solar occultation measurement），即在火星大氣的「掩蔽下」穿過大氣指向太陽，觀察不同的大氣成分對太陽光線的吸收情況，從而進一步揭示火星大氣獨特的化學組成。
這使得科學家能繪製出水蒸氣和「半重」水的垂直分布（「半重」水：「semi-heavy」 water，即水分子的其中一個氫原子被氘原子取代。氕原子是氫的主要同位素，由一個質子和一個電子組成；氘也被稱為重氫，比氕原子要多一個中子），範圍從靠近火星表面直到火星表面上方80千米的高度。這些新的結果追蹤了火星大氣中氫原子逃逸進入太空的過程，從而探索了大氣中沙塵對水的影響。
比利時皇家空間和高層大氣物理研究所（Royal Belgian Institute for Space Aeronomy）的NOMAD首席儀器研究員安?卡里納?旺達勒（Ann Carine Vandaele）表示：「在火星的北緯地區，我們觀察到了此前並不存在的一些特徵，比如在25 ～ 40千米的高空中漂浮著一些沙塵雲；而在南緯地區，我們觀察到了沙塵雲層向高海拔地區的移動。」
「在沙塵暴最初發生的短短几天里，大氣中水蒸氣量的增加極為迅速，這表明火星大氣對沙塵暴的反響相當迅速。」
沙塵暴的演變
版權：ESA/ATG媒體實驗室；數據：A. C Vandaele et al (2019)
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TGO的觀測結果與火星的全球循環模型一致：沙塵吸收了太陽輻射，周圍的氣體被加熱而膨脹，進而在更廣的垂直範圍內讓其他成分重新分布，這些其他成分之中就包括了水；赤道與兩極間的溫度差異也進一步被拉大，加強了火星的大氣循環流動；與此同時，由於溫度的上升，水-冰雲的形成數量減少，通常情況下，水-冰雲會將水蒸氣限制在較低的空間高度上。
這些研究團隊還首次同步觀測到了半重水和水蒸氣，這為輕原子和氘原子逃逸進入太空的數量控制過程提供了重要的信息。這一觀測同時也意味著氘原子和氫原子的比例（D/H比）可以被推導出來，而D/H比則是火星含水量演化過程的重要標誌。
「我們發現這些水分子，無論是否含有氘原子，對冰雲的存在都極其敏感，因為冰雲能防止它們到達高層的火星大氣。在火星沙塵暴期間，水分子則擴散到了相當高的地方，」 安?卡里納說道，「這種現象早已在理論上被各種模型預測出來，但這是我們首次在實際中觀測到。」
由於D/H比理論上會隨著季節和高度的變化而發生改變，因此TGO將持續進行區域性、季節性的測量，為前面提到的控制過程提供更進一步的證據。
在奧地利維也納歐洲地球科學聯盟（European Geosciences Union）的專題新聞發布會上，這些結果也得到了報道。
最後，關於火星微量氣體軌道探測器（ExoMars Trace Gas Orbiter）的解讀，還有兩部分，「火星大氣中甲烷的神秘缺席」與「火星淺層地下水的最佳地圖」。
未完待續......
參考：
[1] https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/First_results_from_the_ExoMars_Trace_Gas_Orbiter
[2] 「Early observations by ExoMars Trace Gas Orbiter show no signs of methane on Mars」 by O. Korablev et al, is published in the journal Nature.
[3] 「Martian dust storm impact on atmospheric water and D/H observed by ExoMars Trace Gas Orbiter」 by A.C Vandaele et al, is published in the journal Nature.
[4] 「Neutron Mapping of Mars with High Spatial Resolution: First Results of FREND experiment of the ExoMars Project」 by I.G. Mitrofanov et al, is accepted for publication in the Proceedings of the Russian Academy of Science, the Branch of Physical Science.
[5] https://client.cntv.at/egu2019/pc7
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