火星 的大氣層 ,自從火星發現少量甲烷 以來 ,關於其如何組成的研究越來越受到關注 ,因為這可能是火星生命 存在的跡象;不過這也可能是由地質化學 作用、火山作用 或熱液作用 等無機方式所造成的。
火星的大氣層相對較薄,地表氣壓 低至奧林帕斯山 頂的30帕、高至希臘平原 低點的1155帕。火星表面的平均氣壓為6百帕,相比之下地球氣壓為1013百帕,也就是說火星大氣壓力不到地球的百分之一。火星大氣總質量為25兆噸,而地球為5148兆噸,金星則為48京噸。然而它的大氣標高 為11公里,比地球的7公里稍大。火星大氣含有95%的二氧化碳 、3%的氮氣 、1.6%的氬氣 、些微的氧氣 、水氣 和甲烷 ,平均分子量為43.34 。大氣中還充滿很多塵埃,使得從火星地表來看是黃褐色的。火星探測漫遊者 的資料指出,這些懸浮微塵約1.5微米寬。
大氣組成
二氧化碳
二氧化碳 是火星大氣主要成分。冬天時,極區進入永夜,低溫使大氣中多達25%的二氧化碳在極冠沉澱成乾冰 ,到了夏季則再度昇華 至大氣中。這個過程使得極區周圍的氣壓與大氣組成在一年之中變化很大。
氬氣
和太陽系 其他星球相比,火星大氣有著較高比例的氬氣 。不像二氧化碳會沉澱,氬氣的總含量是固定的,但也因為二氧化碳會在不同時間進出大氣,氬氣在不同地點的相對含量會隨時間而改變。近期衛星資料指出,南極區在秋季時氬氣含量提高,到了春季則會降低。
水氣
火星大氣變化顯著。當夏季二氧化碳昇華 回大氣時,它留下微量的水氣 。季節性、時速接近400公里的風吹離極區,帶著大量的沙塵與水氣,其中水氣造就了霜 與大片捲雲 。這些水冰雲由機會號 於2004年攝得。 2008年七月31日,NASA 鳳凰任務 的科學家證實地下冰的發現。鳳凰號的更多分析將確認這些冰是否曾為液態,或包含生命必需的有機物。鳳凰號的熱電傳導性探針 顯示當地大氣中的水分在火星晚上時會消失,同時土壤的水分則會增加。
甲烷
火星北半球夏季時的大氣甲烷分布。紅色塊(30ppb)約位於阿拉伯地
火星大氣中含量為十億分之一級(ppb)的微量甲烷 ,首次的發現來自2003年一支在NASA戈達德太空飛航中心 的團隊。
2004年三月,火星快車號 和自地面觀測的加法夏望遠鏡 也支持甲烷的存在,濃度約10 ppbv 。 甲烷的存在十分吸引人,因為這是不穩定的氣體,要存在必有某種來源。據估計,火星每年必須產生約270公噸的甲烷 ,但由小行星 帶來的只佔0.8%。雖然地質活動也可提供,但火星近期缺乏火山活動 ,熱液活動 、熱點 等是甲烷來源的可能性就較低。
微生物 (如甲烷古菌 )也可能是來源之一,但尚未證實。
甲烷的分布不是全球性的,表示它在充分分布均勻之前就已被破壞,不過這也指出它必不時的釋放至大氣。目前計劃於尋找可能的伴隨氣體,藉以推測來源的形式:在地球海洋中,生物產的甲烷常伴隨著乙烯 ,而火山作用產生的甲烷則伴隨著二氧化硫 。
2005年,研究發現橄欖石 與水、二氧化碳於高溫高壓下蛇紋岩化 (serpentinization)後可產生甲烷,過程與生物無關。 在地表下幾公里深即可滿足反應的溫壓條件,且計算如果要維持目前甲烷濃度幾十億年,所需的橄欖石量並不多,增加了甲烷無機來源的可能。 而如果要證明正確,就得發現此反應的另一產物蛇紋岩 。
歐洲太空總署 發現甲烷的分布不均勻,但卻和水氣的分布相當一致。在上層大氣這兩種氣體分佈均勻,但在地表卻集中在三處:阿拉伯地 、埃律西昂平原 和阿卡迪亞平原 。西南研究學院的行星科學家David H. Grinspoon認為甲烷與水氣分布的一致性增加了生物來源的可能,不過生命如何在火星如此不友善的環境下生存仍然未知。 如果要證明甲烷的分布與生物有關,探測船或登陸艇需要攜帶質譜儀 ,分析火星上碳12 與碳14 的比例(即放射性碳定年法 ),便可辨別出是生物還是非生物源。 2012年,火星科學實驗室 將會測量二氧化碳與甲烷中的同位素。
2013年9月19日,根據從好奇號得到的進一步測量數據,NASA科學家報告,並沒有偵測到大氣甲烷 (atmospheric methan)存在跡象,測量值為6999180000000000000♠ 0.18± 0.67 ppbv,對應於1.3 ppbv上限(95%置信限),因此總結甲烷微生物活性概率很低,可能火星不存在生命。但是,很多微生物不會排出任何甲烷,仍舊可能在火星發現這些不會排出任何甲烷的微生物。
人類利用的可能
火星大氣是一個可在任何登陸地利用、已知成分的資源,因此,有人建議載人火星任務 可用大氣中二氧化碳為原料製造回程的燃料。這些研究包括羅伯·祖賓 的直達火星 和NASA的Design reference mission 。兩個主要方法包括沙巴提爾反應 :二氧化碳加氫氣產生甲烷與氧氣;和電解 ,以氧化鋯 的固體氧化物電解質將二氧化碳分解為氧氣與一氧化碳。
然而,如果人類將來要殖民火星,將需要足夠的溫室氣體 以維持溫暖的氣候,所以在利用大氣的同時勢必得想辦法補充。(參考火星地球化 )
天空顏色
海盜號 和探路者號 登陸器的照片顯示火星的天空大致為黃褐色,而在晨昏時則帶點粉紅色。火星大氣一直充滿著塵埃,因此大氣中的懸浮微塵對天空顏色有很大的影響。這些塵埃含有褐鐵礦 ,而根據海盜1號 著陸器所測得天空顏色所做的日光散射電腦模擬顯示,另外還有體積含量約1%的磁鐵礦 。這些塵埃的大小可由小於可見光波長(0.4-0.7微米)至數十微米大。大的粒子傾向對不同波長均勻散射 ,使天空呈現白色,就像地球的雲 一樣。不過塵埃粒子還會吸收藍光,使天空缺乏藍色而呈現黃褐色,也使肉眼所見的火星呈現紅色。假如火星大氣沒有塵埃,就會和地球一樣因大氣分子(在火星主要為二氧化碳)的雷利散射 而呈現藍色天空,但因大氣稀薄很多,會呈現暗藍色,就像在地球高山所見的天空。
大氣結構
火星大氣由以下幾部分構成:
低層大氣:由於氣懸微塵與地表的熱,這部份相對溫暖。
上層大氣,或熱氣層:來自太陽的加熱使此處溫度很高。此處的大氣分子不再像下層那樣分布均勻。
外氣層:200公里以上,大氣漸漸過渡到太空,無明顯外層邊界。
天氣現象
2001年9月發生的全球性塵暴(右)
塵暴
由於火星氣壓低,當太陽甫照地表時,大氣便能快速增加動能,風速大,加上低重力,塵埃很容易被捲入空中。而就在南半球春夏季時,增溫快,易形成強烈的風,捲起的狂沙再加強增溫,風速更快,終於形成塵暴 ,從太空可看到一片褐色塵雲旋轉、移動。而這些區域性塵暴有些甚至發展成全球性塵暴,將整個星球籠罩在橘霧之下。例如水手9號 剛到達火星的時候,火星就被全球性塵暴遮住而無法觀測;2007年7月到8月初,精神號 與機會號 就因沙塵暴的發生,太陽能板接收不到足夠的光線而暫停工作。
塵捲風
塵捲風 常見於地球的乾燥沙漠,而在火星也一樣常見,只是尺寸更大:地球上的可寬數公尺、高數十公尺,火星的塵捲風則通常有數十公尺寬、數百公尺高,而最大可再大十倍,比地球的龍捲風 還大,且風速可超過每秒30公尺。和地球的塵捲風一樣是光照加熱地表空氣而形成的,在春夏季白天中午的前後幾小時內很常見。塵捲風形成後可維持並遊走一段時間,經過之處因捲走上層沙塵露出底下不同色的沙而留下深色軌跡。火星全球勘測者 等的衛星照片顯示各緯度皆有發現大片交織的塵捲風軌跡,古瑟夫撞擊坑 中的精神號 亦不時見到行進中的塵捲風。由於塵捲風可達數公里高,不斷捲起的塵埃可能是火星大氣充滿塵埃的重要原因。
另外,塵捲風內部的沙塵會摩擦起電 而帶電。較大的沙與較小的塵碰撞摩擦時,塵傾向帶負電,然後沙、塵因重量差異分開至底部和頂部,產生電場 。地球上的可測量到約20千伏 /公尺,雖然比地球產生閃電 的最小電場小約一百倍,但火星大氣稀薄,較易將氣體击穿 ,況且火星塵捲風更大,電場可能更強,因此電弧 或閃電就可能在塵捲風內部產生。
哈伯望遠鏡所攝,可見火星邊緣的藍色雲靄
雲霧
火星的雲 不像地球那麼多又較厚實,由於冷、乾、氣壓低,火星的雲通常不多且薄,有些是水冰構成,有些是乾冰構成,如果參雜沙塵則由白色變成黃色的黃雲,另外一些常見的雲,如塔爾西斯和埃律西昂的山雲、哈伯太空望遠鏡 中常見的赤道雲 、火星邊緣的藍色雲靄等。
參考資料
^ 1.0 1.1 Mumma, M. J.; Novak, R. E.; DiSanti, M. A.; Bonev, B. P., "A Sensitive Search for Methane on Mars" (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) (abstract only). American Astronomical Society, DPS meeting #35, #14.18.
^ Life on Mars? (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) - Geological and biological processes observed on Earth provide hunky-dory explanations for methane on Mars, Martin Baucom, American Scientist , March-April 2006.
^ Interplanetary Whodunit - Methane on Mars (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ),David Tenenbaum, Astrobiology Magazine , NASA ,20 Jul 2005. (Note: part one of a four-part series.)
^ Making Sense of Mars Methane (June 2008) . [2009-01-18 ] . (原始内容 存档于2008-09-23).
^ Seiff, A. and Kirk, D. (1977). "Structure of the atmosphere of Mars in summer at mid-latitudes" (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) (abstract only). Journal of Geophysical Research, 82(28):4364–4378.
^ Lemmon et al., "Atmospheric Imaging Results from the Mars Exploration Rovers: Spirit and Opportunity"
^ Francois Forgot. Alien Weather at the Poles of Mars (PDF) . Science. [2007-02-25 ] . (原始内容存档 (PDF) 于2018-09-29).
^ Clouds (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) - Dec. 13, 2004 NASA Press release. URL accessed March 17, 2006.
^ PIA11711: Overnight Changes Recorded by Phoenix Conductivity Probe (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) Photojournal: NASA's Image Access
^ 10.0 10.1 Michael J. Mumma. Mars Methane Boosts Chances for Life . Skytonight.com. [2007-02-23 ] . (原始内容 存档于2007-02-20).
^
V. Formisano, S. Atreya T. Encrenaz, N. Ignatiev, M. Giuranna. Detection of Methane in the Atmosphere of Mars. Science. 2004, 306 (5702): 1758–1761. doi:10.1126/science.1101732 .
^ V. A. Krasnopolskya, J. P. Maillard, T. C. Owen. Detection of methane in the martian atmosphere: evidence for life?. Icarus. 2004, 172 (2): 537–547. doi:10.1016/j.icarus.2004.07.004 .
^ ESA Press release. Mars Express confirms methane in the Martian atmosphere . ESA . [2006-03-17 ] . (原始内容存档 于2006-02-24).
^ Vladimir A. Krasnopolsky. Some problems related to the origin of methane on Mars . Icarus. February 2005,. Volume 180 (Issue 2): 359–367 [2009-01-18 ] . doi:10.1016/j.icarus.2005.10.015 . (原始内容存档 于2008-12-28).
^ Planetary Fourier Spectrometer website 互联网档案馆 的存檔 ,存档日期2013-05-02. (ESA, Mars Express)
^ Oze, C., M. Sharma. Have olivine, will gas: Serpentinization and the abiogenic production of methane on Mars . Geophys. Res. Lett. 2005, 32 : L10203. doi:10.1029/2005GL022691 .
^ 天文:研究支持火星甲烷來自無機過程 互联网档案馆 的存檔 ,存档日期2010-06-20. 2005年7月25日,Sciscape科景
^ Remote Sensing Tutorial, Section 19-13a 互联网档案馆 的存檔 ,存档日期2011-10-21. - Missions to Mars during the Third Millennium, Nicholas M. Short, Sr., et al., NASA
^ Tenenbaum, David. Making Sense of Mars Methane . Astrobiology Magazine. 2008-06-09 [2008-10-08 ] . (原始内容存档 于2008-09-23).
^ Webster, Christopher R.; Mahaffy, Paul R.; Atreya, Sushil K.; Flesch, Gregory J.; Farley, Kenneth A. Low Upper Limit to Methane Abundance on Mars . Science (journal) . September 19, 2013 [September 19, 2013] . doi:10.1126/science.1242902 . (原始内容存档 于2013-09-23).
^ Cho, Adrian. Mars Rover Finds No Evidence of Burps and Farts . Science (journal) . September 19, 2013 [September 19, 2013] . (原始内容存档 于2013-09-20).
^ Chang, Kenneth. Mars Rover Comes Up Empty in Search for Methane . New York Times . September 19, 2013 [September 19, 2013] . (原始内容存档 于2014-04-11).
^ What color is the Martian sky? (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) Causes of Color
^ 機會號與精神號正在火星沙塵暴中掙扎 互联网档案馆 的存檔 ,存档日期2007-12-05. 熬過沙塵暴,火星探測車重啟工作 互联网档案馆 的存檔 ,存档日期2007-12-05.,台北市立天文館天文速報
^ The Devils of Mars (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) Trudy E. Bell, Science@NASA, July 14, 2005
^ 參見:科學教育月刊 第262期,2003年九月號,【2003年火星大接近與火星觀測】
參見
外部連結