火星表面：火星大气层，火星竟然有极光现象？

火星，是离太阳第四近的行星，为太阳系中四颗类地行星之一。西方称火星为玛尔斯，是罗马神话中的战神;古汉语中则因为它荧荧如火，位置、亮度时常变动让人无法捉摸而称之为荧惑。火星在太阳系的八大行星中，第二小的行星，其质量、体积仅比水星略大。

本图拍摄于1976年6月，由海盗1火星探测器操作。图片展示了火星表面稀薄的大气层和尘土遍布的红色地表。——图片来源： (美国)国家航空和航天局的海盗1火星探测器拍摄

基于火星与我们的星球具有诸多共性，它也经常被称为“孪生地球”。它们都是类地行星、都有极地冰冠;以及两者一度在各自的地表都有活性大气和液态水。而在其他方面，两者则有很大区别。尤其在各自的大气和气候方面，火星可以说是与地球截然不同。

举个例子!每当谈到火星的天气，预测内容通常是都极富戏剧性。不但火星的天气(Martian weather)日日不同，有时就连每个小时间都变化各异。对于一个表面气体密度只有地球大气1%的星球来说，这看起来有点不同寻常。但是当极端天气和气象现象来临时，火星却实实在在地掌握着主动权。

火星的大气层

火星的大气层非常稀薄，包括96% 的二氧化碳、 1.93%的氩和1.89%的氮，附带些微的氧和水。空气中布满了灰尘，包括直径1.5微米的颗粒。正是这些颗粒将火星表面的天空染成了黄褐色。火星的气压在0.4 到0.87 kPa之间，这个数值范围相当于地球海平面测量值的1% 。

本图阐明了甲烷进入和脱离火星大气层的可能途径。——图片来源：(美国)国家航空和航天局NASA/JPL-Caltech/SAM-GSFC/Univ. of Michigan

正是因为火星大气层如此稀薄，且距离太阳更远，所以它的地表温度比我们在地球上所能体验到温度的更低。该星球的平均温度只有-46 °C (-51 °F),冬季时两极地区的温度低达 -143 °C (-225.4 °F) ，而夏季正午时分赤道的温度则高达 35 °C (95 °F)。

由于两极地区的温度极低，空气中25-30%的二氧化碳凝固成了干冰沉积在地面上。火星极冠地区以水为主，北极区域的干冰层冬季厚度可达一米;而南极则常年覆盖着厚达八米的干冰层。

火星的大气层里，还探测到了微量的甲烷和氮。对于前者甲烷，发表于2014年12月16日的《好奇号火星探测器监测到的“巅峰成果”》里给出的预估浓度为30ppb。此次监测数据是非常局部的，而且甲烷的来源一直是个谜。 同样的，氨的来源也无法确定。虽然火山活动可能是原因之一，但这也只是一种提议。

气象现象：

火星那剧烈的沙尘暴气候也非常有名，范围涵盖了从小龙卷风到全球性沙尘现象。以后者为例，这种气候现象其实就是粉尘被吹到大气当中，经由太阳光照射而导致温度升高。较温热的粉尘混合空气上升而且风力越来越强，然后形成了范围宽达数千公里的沙尘暴，而且每次这种气候现象都能持续数月。当达到这种规模时，一眼望去沙尘暴几乎能把火星遮住。

该图捕捉到了火星的一次沙尘暴活动——图片来源：(美国)国家航空和航天局NASA/JPL-Caltech/MSSS

由于空气稀薄、低温且缺少磁气层等原因，火星上不会出现降雨等液体沉淀现象。一般来说，太阳辐射会把大气里的所有水都会被分解成氢和氧。由于寒冷和稀薄的大气，使得表面上没有足够的液态水来维持一个水循环。

然而有时候大气中会有薄云形成，并且以雪的形式降回地面。其中主要成分是“干冰雪花”，而且已经在极地区域发现该物质踪迹。不管怎样，以前人们在火星的上层大气中也发现过含水冻云的些微痕迹，但降雪现象则只在高纬度地区。

该现象曾在2008年9月29日被观测到。当时从在海姆达尔陨石坑附近的着陆点上方4公里(2.5 mi)高的云层中散落着雪花，而凤凰号火星登录器用照片的形式记录下了这一刻。然而，登录器收集的数据显示：降雪在抵达地面之前就已经汽化蒸发了。

火星的极光：

火星也有极光现象，这也是火星磁场和太阳辐射相互作用的结果。虽然火星上可供讨论的磁层微乎其微，但科学家们断定过去监测到的极光与一片区域相对应——即星球局部出现的磁场最强区域。该结论是通过分析火星全球探勘者号勘测出的数据编辑处理出的地壳磁异常图得出的。

火星的地壳上有磁化的岩石，进而产生了局部的、不完整的磁场(左图所示)。在右图中，我们能看出那些区域延伸到了岩石上方的空间。在它们的顶部，极光成型。——图片来源：(美国)国家航空和航天局NASA

2004年8月14日出现的极光现象就是个有名的实例，而火星快车号宇宙飞船上的火星大气光谱学特征调查仪则识别出了它。这次极光现象的发生地位于火星上的西米里亚高地——地理坐标：东177°、南52°;而且它的预估范围相当可观，测量数据为横向30公里、纵向8公里(即横向18.5英里、纵向5英里)。

最近，又有极光现象被观测到。它和地球上被发现的极光现象只差一天。观测设备是执行火星大气与挥发物演化任务的探测器，它曾拍摄了2015年3月17日的极光图像。这次极光被戏称为“火星的圣诞之光”，范围贯穿火星的中北纬度;而且比起地球上那活力四射的极光，它(由于火星大气缺乏氧和氮)就像一个暗淡的烛光。

时至今日，负责研究火星大气、气候和天气模式的轨道卫星、探测器和探测车已经多达数十个。它们在岗位上各尽其职，完成着包括美国航空航天局、俄罗斯联邦航天局，还有欧洲航天局和印度联邦太空项目发布的任务。其中就包括了执行首次近飞探测火星任务的“水手4号”探测器;这次行动发生于1965年7月14日和15日，共耗时两天。

后来，水手6号和7号也执行了相关任务(于1969年进行了近飞探测)，进而丰富扩展了水手四号收集的原始数据。紧接着又有了海盗1号和2号火星探测器的任务。它们于1976年抵达火星，成为了第一座登陆的航天飞船;而且，还传回了火星表面的图像资料。

新世纪来临之后，已经有六座轨道卫星围绕火星运行，收集气象信息：2001火星奥德赛号、火星快车号宇宙飞船、火星勘测轨道飞行器、执行火星大气与挥发物演化任务的探测器、火星轨道探测器、外火星跟踪气体轨道器。它们因为运送探测车和着陆器等(如凤凰号火星登录器、勇气号火星探测器和机遇号火星探测器，以及好奇号火星探测器)执行任务而备受赞誉。

未来，科学家们还会安排其他探测任务，来帮助我们更详细的了解火星的大气、气候和天气模式。我们的发现会极大程度地揭示出这颗星球的厚重历史、现状，甚至有可能有助于我们在那里创建一个新的未来。