研究量化了电在火星尘暴中的全球影响

　　艺术家对火星沙尘暴中的电的印象。Credit: NASA

　　据美国物理学家组织网（by Talia Ogliore, Washington University in St. Louis）：火星因其强烈的沙尘暴而臭名昭着，其中一些沙尘暴扬起的灰尘足以被地球上的望远镜看到。

　　当尘埃粒子相互摩擦时，就像在火星沙尘暴中一样，它们会带电，传递正负电荷，就像你拖着脚走过地毯时产生静电一样。

　　强电场在地球上的沙尘暴中形成，所以这种情况也发生在火星上也就不足为奇了。但是接下来会发生什么呢？可能不是像我们在地球上预期的那样，突然出现闪电。

　　相反，圣路易斯华盛顿大学的行星科学家Alian Wang认为火星上的放电可能看起来更像是微弱的辉光。(没有一个火星着陆器、火星车或其他任务捕捉到它的真实照片。)

　　“这可能有点像地球极地地区的极光，高能电子与稀薄的大气物质发生碰撞，”艺术与科学地球与行星科学研究教授王说。

　　不管有没有华而不实，这个火星人的“人造罗拉”仍然具有强大的冲击力。

　　王在《地球物理研究快报》杂志上的新研究表明，沙尘暴中的电力可能是火星氯循环的主要驱动力。

　　作为背景，科学家认为氯是火星上“可移动”的五种元素之一(其他元素是氢、氧、碳和硫)。这意味着氯以不同的形式在火星表面和大气之间来回移动。在地面上，氯化物沉积物——类似于地球上的盐滩或浅盐滩——分布广泛。这些氯化物沉积物可能形成于火星的早期历史，是从盐水中沉淀出来的氯化物盐。

　　美国宇航局的火星勘测轨道飞行器在2007年11月拍摄了这张沙尘暴的特写照片。Credit: NASA

　　在这项新的研究中，王展示了一种将氯从地面转移到火星空气中的特别有效的方法，即通过火星尘埃活动中产生的放电引发的反应。

　　王和她的合作者进行了一系列实验，从普通氯化物中获得了高产量的氯气——所有这些都是通过在类似火星的条件下用放电轰击固体盐来实现的。他们使用华盛顿大学的行星模拟舱(称为行星环境和分析舱，简称PEACh)进行了这些实验。

　　“这项研究揭示的普通氯化物中氯的高释放率表明了一种很有希望的途径，可以将表面氯化物转化为我们现在在大气中看到的气相，”英国开放大学的研究员、新研究的共同作者凯文·奥尔森说。

　　“这些发现为火星尘埃活动能够驱动全球氯循环提供了支持。通过ExoMars示踪气体轨道飞行器，我们看到了与全球和区域沙尘暴相一致的重复季节性活动，”他说。

　　在火星上比在地球上容易

　　“摩擦起电是我们太阳系中一个常见的过程，火星尘埃活动是电荷积累的强大来源，”王说，他是该大学麦克唐纳空间科学中心的研究员。“火星上稀薄的大气使得积累的电场更容易以静电放电的形式分解。事实上，在火星上比在地球上容易一百倍。”

　　参与20世纪70年代登陆火星的海盗任务的科学家首次提出沙尘暴可能是红色星球上新的反应化学的来源。

　　然而，尘埃活动的化学效应很难研究。某些任务机会，如2016年发射的ExoMars斯基帕雷利EDM，以失败告终。科学家转向模型和实验研究。

　　美国宇航局的火星勘测轨道飞行器在2012年3月拍摄了这张沙尘暴沿着亚马逊平原蜿蜒前行的照片。Credit: NASA

　　近年来，王和其他科学家发表的研究表明，当静电放电与火星上富含二氧化碳的环境中的氯盐相互作用时，它可以生成高氯酸盐和碳酸盐，并以气体形式释放氯。

　　但是这项新的研究是第一次尝试量化这些化学产品在沙尘暴事件中实际产生的数量。

　　“反应速度是巨大的，”王说。“重要的是，在短时间中等强度静电放电过程中释放的氯是百分之一的水平。”这意味着在7个小时的模拟静电放电实验中，每100个氯化物分子中至少有一个被分解，然后将其氯原子释放到大气中。

　　王说，碳酸盐和高氯酸盐的形成率相似，但略低，在百分之几和千分之几的水平。

　　这些高产量让王和她的团队相信，火星尘埃活动可能与最近火星任务揭示的三种全球现象有关。

　　她说，放电可能与全球火星表层土壤中极高浓度的高氯酸盐和碳酸盐有关。从数量上来说，观察到的浓度范围的高端可以通过沙尘暴引发的放电在不到一半的亚马逊时期内积累，亚马逊时期是火星历史上最近的时期，被认为始于大约30亿年前。此外，氯化物释放的氯原子的高产量可以解释2018年和2019年尘季期间在火星大气中观察到的高浓度氯化氢，当时假设1至10厘米厚的火星表面灰尘将被全球沙尘暴扬起。

　　“据我们所知，没有其他方法可以做到这一点，”王说，“尤其是在释放氯的量如此之高的情况下。”