【寰宇天文】越來越薄的火星大氣層

■美國太空總署的MAVEN計畫發表了最新結果,顯示火星的大氣層因為太陽風的影響而逐漸流失。

Credits: NASA/GSFC
Credits: NASA/GSFC

撰文|陳勁豪

美國太空總署在21世紀初期成立了幾個小而低成本的探測火星計畫,其中一個入選的是火星大氣與揮發物演化任務,簡稱MAVEN(Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission)。MAVEN主要任務是近距離研究火星的大氣。探測器於2013年11月18日發射,2014年9月22日進入火星軌道,在距離火星表面150到6200公里的軌道上進行探測任務。

科學家普遍認為,早期的火星應該跟地球差不多,一樣擁有著相當厚而溫暖的大氣層,而且可能有液態水存在,因此可能是個可以產生生命的環境。但是目前的火星只剩下相當稀薄的大氣層,而且表面上沒有液態水,基本上完全不適合生命存在。科學家希望藉由MAVEN的近距離觀測,來了解在這之間到底發生了什麼事情。

經過了一年多的觀測,NASA於11月6日發表了最新的觀測結果。他們發現火星的大氣層受到太陽風的影響,以每秒鐘約100克的速度流失。

如果太陽風會造成火星的大氣層流失,那麼為什麼地球可以保有這麼厚的大氣層?要回答這個問題,必須先知道什麼是太陽風。太陽風是指由太陽發射出的高能量帶電粒子,速度約為每小時百萬公里以上。這些粒子會經由太陽表面的噴發而四散飛出,因此具有一定的週期性。

地球表面帶有約0.5高斯或是50000nT的磁場。當太陽風也就是帶電粒子吹到地球的時候,會因為磁場的緣故發生偏移,使得這些帶電粒子不會直接通過地球,因此地球不會直接受到影響。

而火星的表面磁場相當微弱,大約是1000nT左右,也就是說比地球磁場小了約五十倍,所以顯著降低了火星抵擋太陽風的能力。這些高能粒子會把火星大氣層上層部份的氣體原子離子化,並帶離火星大氣層。這個效應其實相當類似地球上所看到的極光。

MAVEN同時也在火星上觀測到了極光現象。地球最容易看到極光的地方在南北兩極。而火星基本上沒有磁場,因此科學家起先認為火星可能只有在少數還殘留一些磁場的地方才會看到極光。

但是新的結果發現,火星上不但有極光,而且還會延伸到相當大的區域之外,有些極光甚至還持續了好幾天之久。這個出乎意料的結果給了科學家相當大的意外,同時也改變了他們對火星極光的看法。因為原本以為火星沒有磁場,就不會產生極光的概念,或許會需要改變成因為火星沒有磁場,因此極光可能會在各個地方出現。

科學家估算了太陽風送到火星的能量,約略相當於每小時有一次百萬噸級的TNT火藥爆炸,或是相當於每小時一顆小型原子彈的威力。

這些太陽風雖然不是一直持續不斷的發生,而是比較類似像風暴一樣一陣一陣的出現。這種風暴約略每年出現幾次,從火星誕生到現在一直累積到現在,產生的影響也是相當可觀。

如果太陽風會帶走火星的大氣層,那麼這便可以解釋為什麼現在火星的大氣層會如此稀薄。而大氣層的變化同時也會影響火星地形的改變。例如科學家在火星上觀測到過去曾經有水,甚至是河流流動的遺跡,但是如果大氣層變薄,會使得液態水蒸發的速度加快,導致現在的火星基本上看不到液態水的存在。

人類對火星的認識逐漸增加,我們對火星的了解其實才正要開始。

原始論文
MAVEN observations of the response of Mars to an interplanetary coronal mass ejection
DOI: 10.1126/science.aad0210

Discovery of diffuse aurora on Mars
DOI: 10.1126/science.aad0313

Early MAVEN Deep Dip campaign reveals thermosphere and ionosphere variability
DOI: 10.1126/science.aad0459

Dust observations at orbital altitudes surrounding Mars
DOI: 10.1126/science.aad0398

參考資料
1. NASA MAVEN計畫官網
2. NASA 2015/11/06: NASA Mission Reveals Speed of Solar Wind Stripping Martian Atmosphere
3. New York Times 2015/11/05: Mars’ Atmosphere Stripped by Solar Winds, NASA Says

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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