火星天气气候系统与地球的异同

        作为最重要的类地行星之一，火星与地球有许多相似之处。基于此前卫星和火星车的观测数据，我们对本世纪前20年火星大气和气候系统的类地现象和多尺度耦合过程研究进行了总结。这些过程包括火星低、中、高层大气的耦合、水/沙尘与大气动力学过程的耦合、经向环流驱动的低、中、高纬地区间物质和能量的交换过程，以及沙尘暴期间短周期动力学耦合等等。详细了解这些耦合过程有助于更好地认识火星大气环流和气候的总体框架，为火星大气模型的建立和改进提供必要的约束条件。此外，火星干燥稀薄的大气相对于地球大气更为简单，可以提供一个天然的实验室检验传统地球理论，并对地球大气研究提供一定的借鉴作用。

        在过去的四十亿年里，火星经历了强烈的气候变化，包括地表液态水的流失，这使得对火星大气的研究成为探索地外生命和宜居性的关键部分。2021年对火星研究来说是重要的一年，三项探测任务——美国的毅力号、中国的天问一号和祝融号以及阿联酋的希望号探测器——将火星研究推向了全球广泛参与的新时期。

地球和火星有许多内在的相似之处，例如自转轴倾角、自转周期以及与之相关的大气状态的日变化和季节变化等等（图1）。但是，两者大气之间的差异更为显着，其中最为明显的不同在于，地球大气和气候演化的主导因素之一是水循环，而火星大气过程的主导因素是沙循环，比如在浮尘的散射和吸收作用下火星上看到的太阳几乎总是蓝色的。此外，类比地球的大气分层，火星大气由于缺乏浓厚的臭氧层导致一些热力学和动力学过程可以直接从对流层/天气层过渡到中高层大气。这个过渡层大致对应于沙层顶和湿层顶——即大气沙尘和水含量快速减少的高度，并且随不同季节的经向环流深度在30到80公里之间变化。

图1  火星与地球基本参数对比

火星对流层活动与沙循环密不可分（图2），从微尺度的尘卷风到覆盖全球的沙尘暴源源不断的向大气中输送沙尘。火星大气中的沙尘颗粒很小（有效半径小于2.5微米），可以很好地与风场耦合在一起，使其表观上具有流体的特性，比如沙尘随大气运动而产生的辐散辐合等现象。同时，火星大气与地表之间通过风力抬升和重力沉降作用时时刻刻进行着沙尘交换，在不考虑相变过程的情况下可以类比于地球上空气和海洋、陆地之间的水交换。由于火星大气稀薄，沙尘的辐射作用显著影响着大气的热力学过程，例如，日间边界层的沙尘对太阳短波辐射的吸收可以显著增强附近空气团的浮力进而改变对流强度，这部分类似于地球大气中的水汽作用，尽管沙尘不存在潜热释放。沙尘的热力学效应除了显着改变周围火星大气密度、温度、风场外，还可以通过调制经向环流间接影响远离热源区域的中高层大气状态和极地涡旋。因此，火星上几乎所有的热力和动力学耦合过程都直接或间接地受到沙循环的影响。相比而言，地球上能够产生如此广泛的天气和气候学效应的过程只有水循环了。

图2  火星与地球的对流层活动对比

作为太阳系最大的沙漠星球，火星地表和大气中具有地球沙漠中发现的大部分风力过程和风成特征，如移动的沙丘、局地沙尘暴（图3b）和尘卷风（图3c）等。而除了上述地球沙漠中特有的现象外，火星上还存在着更多类似于地球海洋和水循环主导的大气过程（图3和表1）。卫星探测器在火星北半球观测到了行星尺度的沙尘锋面结构（图3d），与斜压不稳定性和低压气旋活动息息相关，这在视觉上类似于地球中高纬度地区的天气系统。由太阳和月球引力引起的海洋潮汐是地球上最常见的现象之一，火星虽然没有海洋，但在火星大气中普遍存在着沙尘潮汐（图3g），这是由比地球上强的多的大气潮汐驱动的。在中尺度，火星中高纬度地区观测到了半径数百公里的沙尘气旋风暴（图3e），这类似于地球大气中的极地气旋。在微尺度，我们可以在火星的沙尘云中看到波纹状的重力波结构（图3f），如同地球水云和冰云中出现的重力波列。地球对流层湿空气中常见的深对流过程在火星上也有对应的现象，常见于沙尘暴期间，由空间分布不均的沙尘加热作用驱动，也称为干深对流过程（图3h,i）。正是在沙尘暴期间深对流和强烈的经向环流作用下，火星上的沙尘才能上升到高达80公里的高度。

图3  火星上不同尺度的沙尘活动或现象(具体图像参数说明参考Wu et al., 2022, ESR)。

表1  地球水循环和火星沙循环之间的类比关系

作为最显著且最容易观测到的大气现象，沙尘活动对火星气候的重要性从上个世纪就已为科学界所知，而水冰云的辐射效应直到最近二十年才受到关注。模拟研究表明，在寒冷而稀薄的火星大气中，大部分水以水汽形式存在，五分之一的水以水冰云形式存在，且几乎不存在液态水，大气中的水冰/水汽与地面风化层及冰盖中的水处在动态平衡中。冰云辐射作用对大气的加热或冷却效应在地球上并不陌生，如对流层中的卷云对应的红外净辐射通量可以通过传导和辐射加热或冷却周围空气，类似的还有极地平流层云以及中间层云。对于火星，远日点赤道冰云带的辐射效应可以解释观测到的高空异常降温以及夜间地表增温现象，高纬地区甚至发现了与冰云辐射冷却相关的夜间对流和降雪过程。

全球尺度和中尺度波动，包括大气潮汐、行星波和重力波，是大气中常见的动力学过程。在稀薄的火星大气中，这些波动对天气和气候的影响比在地球上更为显著，其与火星上的沙尘和冰云活动也存在着复杂的相互作用关系（图4）。

图4  火星大气波动、沙尘、冰云的相互作用关系

首先，相较于地球上广泛分布的水汽和臭氧，火星上沙尘和冰云的辐射加热作用是波动的主要激发源，最显著的例子是大气潮汐和行星波，不同空间分布的热源所激发的潮汐波模是不同的；对于重力波，沙尘暴期间由于对流过程产生的重力波与地球上台风等强对流天气产生的重力波类似，此外大型沙尘暴导致的赤道和高纬急流结构的改变和紊乱也会影响重力波激发的高度和强度。

反过来，大尺度波动对于沙尘和冰云的时空演化有着重要的热力学和动力学调制作用，比如大气潮汐昼夜变化的经向风场会驱动沙尘在火星对流层中来回振荡（如图3g），其形成的沙尘锋面在大型沙尘暴期间可以达到每天40°经度的振荡强度；行星波在地球上主导着日常的天气变化，而在火星上也是主导中高纬地表沙尘活动的天气系统（如图3d和图5）。如图5所示，火星特别是北半球地形有明显的纬向2-3波结构，类似于地球上的海陆分布差异，在地势较低的区域比在地势较高的地方更容易形成和传播沙尘暴，这些区域被称为火星风暴区。北半球平原是主要的沙尘暴形成区域，沙尘暴形成后向南传播主要有Acidalia、Utopia 和Arcadia三条线路。某些沙尘暴到达南半球后会进一步形成大型乃至全球性沙尘暴，这些沙尘暴南迁的具体时间以及可能性由行星波和大气潮汐波共同作用，比如行星波与大气潮汐的南向风场同相时更有利于沙尘的南向传播。

图5  上图：火星地势图(credit NASA/JPL)；下图：第24–32火星年统计的沙尘暴南迁路线图，黑色箭头显示了沿该路径移动的沙尘暴个数，其中一些由北半球传播到南半球进一步发展为季节和全球沙尘暴。

沙尘颗粒是火星冰云形成所需要的最重要的凝结核，由低层大气上浮的细小沙尘微粒主导着冰云的分布范围和高度。然而，火星高层大气中流星烧蚀残留的金属层中也存在着大量的细小金属微粒，最近的研究发现这些粒子在重力作用下缓慢沉降，也为火星上广泛存在的中层云的形成提供了条件。整体来看，波动、沙尘、冰云的相互作用并不独立，而是密切耦合的，比如南半球沙尘暴期间，在沙尘加热引发的深对流等动力学过程作用下，中纬度区域的水冰云抬升并在更高的高度富集形成了新的激发源，在此高度激发的大气潮汐可以向下传播，形成了有别于地球潮汐的“反向垂直传播”的相位结构，而潮汐相位的变化反过来又会调制沙尘和水冰云等激发源的时空分布，从而使三者形成了一个复杂的闭环反馈系统。

由于火星大气垂直分层相对简单，且稀薄大气条件下波动对大气的作用更加重要，所以火星大气经向环流的南北跨度和季节变化更像地球中高层大气由波动主导的环流特征（图6）。相比地球对流层的环流结构，火星对流层的经向环流纬度范围更广，南北两个半球由各自的低纬-极区环流圈主导，而在中高层大气则几乎由极区-极区的单一环流主导。此外，由于缺乏液态水，火星地表的热惯性要比地球小得多，所以火星经向环流的季节变化幅度很大。在夏冬季节，地表往往会形成跨半球跨圈层的环流圈，将热量和物质由夏季半球输送至冬季半球，冬半球极区下沉环流的绝热加热也会产生类似地球中高层大气的逆温层，也就是极区大气增温现象。而在夏半球，被“压缩”的环流圈会在较低的大气产生绝热加热，与太阳直射点下的辐射加热共同作用，使得夏半球对流层大气的温度极大值比“回归线”纬度更加偏向并深入极区。除了图6所示的中低层大气，火星高层大气（约100 km之上）也存在着更高一层由下沉经向环流加热的极区增温现象，使得火星大气的层次感更加鲜明。

图6  火星北半球夏季的纬向平均温度和剩余经向环流分布(Hartogh et al., 2007)。

除了行星波这种天气系统之外，大气潮汐和重力波的影响可以通过垂直传播到达火星高层大气，影响热层温度、风场以及电离层的带电粒子密度分布，比如火星高层大气风场与地表的一些复杂地形就可以通过重力波的激发和传播联系起来。作为连通火星低、中、高层大气的媒介，大气潮汐和重力波也在大气逃逸中扮演了重要角色（图7），比如，大气潮汐可以通过风场调制作用促进水汽的上传，而重力波对高层大气的动量输送也可以增加粒子逃逸的几率。

图7  火星低、中、高层大气的相互耦合关系(Modified from Yigit, 2021)。

总的来看，大气波动、沙尘和水循环的耦合在火星天气活动和气候演化中扮演了重要的作用，其内在联系将火星大气的各个纬度、高度紧密地结合起来，形成了一个复杂而有趣的整体。其中，与地球水循环主导的动力学过程的相似性也使得火星大气沙循环以及两者的比较研究更加重要。火星大气目前所使用的研究理论大多源于地球已有的大气研究体系，火星相对简单的大气环境可以用来检验和完善这些理论。但另一方面，火星大气中的一些特有现象也催生出了一些新理论。以全球沙尘暴为例，由于其发生极不规律，有些相隔一两个火星年，有些则相隔五六个火星年，科学界针对这一目前无法预测的火星大气现象提出了很多新理论，例如由于地表沙尘含量有限而导致的起沙源头的逐年替换，或者由于八大行星公转位置变化导致的太阳系质心周期性迁移而对火星地表起沙过程产生的额外力矩等等，也许这些理论未来也可以反过来解释地球大气的一些未知现象。

上述研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金面上项目、青年项目的支持，第一和通讯作者为中山大学大气科学学院空间与行星科学系吴兆朋副研究员，近期发表于Earth-Science Reviews上。

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