《火星的奧祕》:火星上不但有沙塵暴,有時還會出現「塵捲風」

《火星的奧祕》:火星上不但有沙塵暴,有時還會出現「塵捲風」
我們想讓你知道的是

火星上有大氣存在,但分量十分稀少,只有地球的1%左右。即使量少仍然因為存在的大氣,讓火星也產生了氣象。

文:藤井旭、荒舩良孝

動輒發生激烈風暴

火星上有大氣存在,但分量十分稀少,只有地球的1%左右。即使量少仍然因為存在的大氣,讓火星也產生了氣象。來自太陽的熱度讓火星地表增溫,大氣也隨之加熱而上升。地表的溫差造成上空的氣壓差,導致大氣飄移而產生風。火星的風向與地球十分相似,也曾分別在火星北緯50度附近觀測到相當於地球噴射氣流的風;在赤道附近所觀測到的風則相當於地球的信風或季風。

火星表面布滿微小的塵埃與沙粒。這些細微顆粒被風吹起而形成了沙丘地帶,或對岩石等造成侵蝕,而造就了火星獨特的地形。此外,火星很頻繁發生捲起塵埃與沙粒的沙塵暴(dust storm)。而這樣經常發生的沙塵暴,規模也大小不一,小規模僅限於局部地區,大規模則可能覆蓋整顆火星。

一旦發生沙塵暴,火星探測任務也會大受影響,不但無法從軌道器看見火星表面,探測車的太陽能板也會被塵埃蓋住而難以發電等等。在重現火星環境的實驗中,逐步得知火星上會產生時速超過100㎞的風,捲起塵埃與沙粒。據悉正因為這些被捲起的塵埃飄浮於火星大氣中,所以火星的天空看起來才會是粉紅色或橘色而非藍色。另外,火星上還觀測到沙塵暴的同類,也就是塵埃與沙粒呈漩渦狀打轉並捲成柱狀的塵捲風(dust devil)。

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圖片提供:NASA/JPL/Malin Space Science Systems
覆蓋火星北極周邊的沙塵暴(圖片提供:NASA/JPL/Malin Space Science Systems)
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圖片提供:NASA/JPL/MSSS
火星沙塵暴(上)與地球沙塵暴(下)火星的大氣量只有地球的1%左右,不過所發生的沙塵暴與地球的十分相似。(圖片提供:NASA/JPL/MSSS)
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圖片提供:NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona
2012年3月14日火星所發生的塵捲風(圖片提供:NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona)
水的存在逐漸明朗化

根據水手9號、維京1號、2號等的探測結果,證實火星上沒有大型生物,是一顆相當乾燥的行星,表面也未曾發現液態水的跡象。

目睹這番景象相信當時應該讓一大票人感到失望吧。然而這些探測任務同時還帶回了令人玩味的結果。那就是火星表面有許多由水流所造成的地形。

可是,這些地形是否真由水流所形成,倒也令人半信半疑,因此在科學家之間引起了議論。

話又說回來,就算火星表面真的有水存在,大部分科學家的看法還是認為那是數十億年之前就有的事。不過1999年,火星全球探勘者號(MGS)所帶來的發現,讓人們對火星之水的觀念有了很大的轉變。

火星全球探勘者號在撞擊坑的內壁或沙丘斜面等處,發現被水沖蝕的痕跡。而且這些痕跡是數百年前留下的,就地質學來看是屬於比較近期的產物。因為這個發現,各種假說紛紛出現,例如火星地底或許有水冰的存在,或是現在仍有水脈等等。

2004年年初順利登陸火星的2台探測車︱精神號與機會號,對撞擊坑內壁進行調查,證實沉積岩的存在。

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圖片提供:NASA/JPL/Malin Space Science Systems
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圖片提供:NASA/JPL-Caltech/MSSS
火星全球探勘者號所拍下的蝕溝。位於火星南半球的半人馬山的撞擊坑內壁中,於2005年9月發現了新的蝕溝(溝狀地形)(上)。1999年8月在同一地點拍攝時並未發現該現象(左下)。由於蝕溝分歧,不排除是由液態水造成的可能性(右下)。(圖片提供:NASA/JPL/Malin Space Science Systems)

在地球上,沉積岩是土石被河川等運搬到河口附近所堆積而成的。也就是說,沉積岩的存在乃是火星也有河川、海洋或湖泊等的證據。實際上,火星的沉積岩也具備與水相關的特徵。其他還有赤鐵礦或硫酸鹽礦物等物質被發現,可視為火星過去曾有液態水存在的證據。因為一般要經過水中沉澱才會形成這些礦物。

2008年5月在火星北極地區著陸的鳳凰號火星探測器,於6月15日在地面挖掘1∼2m處的地方發現了類似冰的物質。當時無法直接確認這個物質的真實成分,不過因為4天後便自然消失,所以研判可能是水凍結後所形成的物質。而且鳳凰號將土壤樣本加熱至100℃所產生的氣體成分中,確實含有水蒸氣,相當於獲得了火星表面具有水分的間接證據。

歐洲探測器火星快車號也發表了證實有水存在的觀測結果。

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圖片提供:NASA/JPL/ASI/ESA/Univ. of Rome/MOLA Science Team/USGS
火星北極的極冠。火星的北極坐落著北極高原,擁有直徑100㎞、厚度3㎞的冰床,而被認為富含水冰。(圖片提供:NASA/JPL-Caltech/MSSS)

首先,透過紅外線光譜觀測的結果,證明了分布於火星南極的極冠中含有豐厚的水冰。火星的北極與南極皆有被冰覆蓋的極冠。該極冠應該是由二氧化碳冰(乾冰)與水冰所形成的,不過透過火星快車號的觀測,逐步得知南極冠儲藏著超出以往推測的大量水冰。

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火星快車號的透地雷達探測儀所分析的火星南極冠沉澱物觀測資料。沉澱物厚度等級為紫色最薄,綠色其次、黃色居中、紅色代表最厚。(圖片提供:NASA/JPL/ASI/ESA/Univ. of Rome/MOLA Science Team/USGS)

分析觀測資料後,得出位於火星南極的水冰廣達數百平方㎞。而且經由透地雷達探測儀所進行的分析顯示,極冠的乾冰下方是廣闊的凍土層,九成以上都是水冰所形成的。

以往總認為火星的水是呈冰凍狀態存在於地底,而現在,這些冰的相關資訊也具體展現在世人面前。另外,如果這些冰完全溶解,在整個火星表面的水深將可達11m的高度。

接著,MRO的研究團隊於2015年9月宣布,在分布於火星南半球中緯度至赤道附近的撞擊坑內壁發現了值得推敲的紋路。據悉這些紋路只有在氣溫高於零下23℃的夏季期間才看得到。這些紋路在夏季期間會朝向斜面下方逐漸延伸,但是一入秋便會消失無蹤,等到下一個夏季來臨後又會再度出現紋路。因此,這些紋路被稱之為RSL(Recurring Slope Lineae:季節性斜坡紋線)。

針對MRO所搭載的光譜儀資料進行分析後,得知RSL具有含水礦物。雖有含水礦物存在,但並無法斷言火星表面存有液態水。不過,綜合僅限夏季期間可觀測到條紋,以及條紋會慢慢擴展的這些現象,形成這些線條紋路是水的可能性很高。

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圖片提供:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Texas A&M University
鳳凰號探測器所發現的疑似水冰的物質。2008年6月15日所拍攝的影像(左),可看見左下陰影部分似乎是冰,6月19日卻消失了(右)。(圖片提供:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Texas A&M University)

透過眾多探測器的探測,目前火星上有水存在的可能性也愈來愈大。只不過這些結果幾乎都是軌道器從環繞火星的軌道所得到的。為了證實火星的確有水存在,必須真正從火星地殼發現水才算數。

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圖片提供:NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona
MRO所發現的RSL。夏季至秋季這段時間出現於撞擊坑內部斜面的黑色條紋,被認為是滲流出來的水所造成的。(圖片提供:NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona)

目前火星上有機會號探測車還在執行任務,今後也有計畫將新探測車送往火星。相信在不久的將來,探測車早晚會偵測到水吧!(編按:美國國家航空暨太空總署已於2019年2月13日正式宣布「機會號」任務結束)

書籍介紹

《火星的奧祕 Guide to Mars:解讀紅色行星》,台灣東販出版
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作者:藤井旭、荒舩良孝
譯者:陳姵君

2020年將翻開火星探測的新頁,美國、歐洲、俄羅斯、阿拉伯聯合大公國、中國等。皆已啓動火星探測計畫,從最新研究掌握即將來臨的火星熱潮。

為了配合2020年7月的火星發射窗口期間,美國「Mars 2020」、阿聯「希望號」、歐俄聯手合作的「ExoMars」皆計畫於2020年升空,始於1960年代的火星探測將邁入新里程!

從用肉眼觀測火星動態的時代變成利用科學望遠鏡觀測的時代,人們對火星的關注不減反增,尤其討論度最高的,應屬和運河說有關的智能火星人的存在論吧。

一切起因於「火星表面看得到細線、不,根本看不見」的唇槍舌戰,引發原本對火星毫不在意的人們高度的關切。「火星上是否有水?」「人類能否移居火星?」這些疑問向來被視為遙不可及的探討,如今卻逐漸成為現實。

換言之,現今的火星不但是再度受到矚目,在陪伴人類長達數千年後,也一同邁入了瞬息萬變、饒富興味的時代。

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Photo Credit:台灣東販

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航