火星上的沙尘暴，和地球上的有什么不同？

编者荐语：

火星和地球时常都会受到各种规模的沙尘暴袭击，尽管这些事件之间存在一些相似之处，现在又多了一个，比如航班取消，但实际上它们之间也存在一些关键差异。

2022 年 1 月 9 日

气象预报员提前几天就预见了它的到来：风越来越大，地上扬起尘土，能见度正在下降。航班将不得不被取消 …… 一年后又一次航班延误。

只不过在这里，延误发生在火星上，延误的航班则是美国航空航天局（NASA）的 " 机智 " 号（Ingenuity）直升机，该直升机于 2022 年 1 月成为第一架因另一颗行星上的沙尘暴而停飞的飞机（如上图所示）。

火星和地球时常都会受到各种规模的沙尘暴袭击，尽管这些事件之间存在一些相似之处，现在又多了一个，比如航班取消，但实际上它们之间也存在一些关键差异。

在地球上，三分之一的陆地面积被沙尘覆盖，其余部分的则被植物生命、冰、水和人类住区所锚定。最大的沙尘暴来自广袤的沙漠，如撒哈拉沙漠（如下所示）、戈壁和阿拉伯半岛。它们还会出现在澳大利亚内陆地区、巴塔哥尼亚、美国西南部、墨西哥，或经历严重干旱的地区。根据科学家的估计，每天有 2000 万吨到 4000 万吨的尘埃漂浮在地球大气层中，每年有 10 亿吨到 30 亿吨的尘埃升上空中然后又沉积回地球（相当于 10,000 到 30,000 艘满载的航空母舰）。

2022 年 6 月 3 日

在火星上，几乎任何地方都可能出现沙尘暴和风暴，因为我们所观察过的几乎所有地方都十分干燥且满是尘埃。从远古的水到最近风驱动下风暴持续不断的喷砂，数十亿年来的风吹日晒创造了一个被砂砾和尘埃覆盖的星球。这些颗粒非常小，带有轻微的静电，因此它们会像泡沫包装小颗粒在地球上表现的那样，黏附在表面上。

在地球和火星上，沙尘暴会使空气质量急剧变差，同时堵塞发动机和齿轮。在地球上，飞机可能会因空气中的灰尘而停飞，因为它会损坏喷气发动机并冲击挡风玻璃，同时还会降低飞行员的能见度。在火星上，2018 年 6 月的一场大型沙尘暴结束了 NASA 已有 15 年历史的 " 机遇 " 号（Opportunity）火星车的任务，尘埃如此长时间地飘浮在空中，让火星车的太阳能电池板无法收集到足够的阳光来为电池充电。

在地球上，尘埃通常会被天气锋面和风暴带走，温度、大气压力和水分含量的差异加速了穿过某一处地势的气流。强风穿过干燥的土地，带走松散的矿物尘埃，有时将其吹到数百至数千米的高空中，并随风飘荡数十至数千千米。（下面的照片拍摄自国际空间站，显示了 2014 年北非上空的一场风暴。）但尘埃并没有上升到对流层顶，也就是对流层和平流层之间的天然压力屏障；即使尘埃上升得如此之高，重力和降水也会将它们带回地面。所有这些通常会发生于几小时到几天的时间内。

2014 年 9 月 8 日

然而，火星没有对流层顶。NASA 气溶胶科学家拉尔夫 · 卡恩（Ralph Kahn）在关注地球之前研究的是行星大气，他解释说，如果没有这种盖子状的屏障（在地球上由平流层臭氧形成），也没有降水将其降下来，火星尘埃可以上升到更高的大气中。

火星风主要是由于两个半球之间、白天和黑夜之间以及升高和降低的表面之间太阳光对火星表面加热的方式不同而产生的。这些加热变化会导致局部尺度上的空气羽流上升（形成尘卷风），同时刺激区域尺度上的水平风流。

从沙尘暴（如下图动画所示），到巨大的阻挡阳光的羽流，火星上的风力可能比不了地球上最猛烈的风，但仍足以旋扫一切。与一些电影小说相反，火星风暴不太可能强大到足以吹倒车辆和人员，这是因为火星大气层更稀薄，大约只有地球表面大气层密度（压力）的 1%，所以类似的风并不会对这颗红色星球施加太大的力。

2021 年 6 月 18 日

2021 年 7 月 20 日

" 尘埃是火星气候的关键。" 来自空间科学研究所（Space Science Institute，SSI）的行星科学家马克 · 莱蒙（Mark Lemmon）说，他的研究领域是气溶胶，同时也参与了 NASA 的一系列火星计划，甚至可以追溯到探路者（Pathfinder）的年代。" 尘埃会被天气移动，但随后尘埃会维持这种天气。它在火星周围储存和移动能量，就像水在地球上移动能量一样。"

一旦升上高空，火星尘埃往往会在空气中停留很长时间，有时会持续长达数周到数月的时间。火星上引力作用更弱，大约只有地球上的三分之一，加上大气层更稀薄，这意味着火星上的阻力更小。火星上的沙尘暴一旦开始，便极有可能自食其力：火星大气中的尘埃会吸收阳光，使周围的空气变暖，这突出了火星表面与空气之间以及表面的一部分与另一部分之间受热的差异，这两者都可能导致更多的垂直和水平气流。

2007 年 11 月 7 日

" 这种影响是不断累积且具有戏剧性的。" 莱蒙说，" 所以火星上空积聚了大量的尘埃。" 上图来自火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter），显示了 2007 年 11 月乌托邦平原（Utopia Planitia）上空的浓密尘埃。

每年，火星都会有几场中等大小的沙尘暴，覆盖一片大陆那样大小的区域，持续好几周的时间。每隔一段时间，出于某些科学家还无法解释的原因，火星沙尘暴会一直叠加扩大，直到吞没整颗星球。（2018 年火星全球沙尘事件如下面的视频所示。）这些大规模的行星级风暴似乎每三到四个火星年（六到八个地球年）就会发生一次。" 地球上目前还没有什么可以类比的。" 卡恩指出。

测量地球上沙尘暴强度的方法之一是通过测量气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD），它衡量的是有多少光被尘埃颗粒、天然气溶胶或空气中的污染物吸收或反射。根据卡恩的说法，地球上晴朗的日子在中可见光（mid-visible light）下的气溶胶光学厚度为 0.1 到 0.2。当气溶胶光学厚度为 1.0 时，地表的阳光强度将下降三分之二。真正浓密的烟雾或尘埃羽流的气溶胶光学厚度可能为 7.0 或更高，这就是为什么当空中充满来自野火或沙尘暴的颗粒时，白天就会变得和黑夜一样。

根据莱蒙的说法，当 " 机遇 " 号火星车在 2018 年全球沙尘暴期间停止工作时，火星上的气溶胶光学厚度介于 9 到 11 之间，类似的全球性沙尘事件也发生在了 2007 年和 2001 年。

火星上的沙尘暴，通常在南半球的夏季（北半球冬季）增长最大。虽然地球上的季节完全是由地球自转轴的倾斜度决定的，但火星（也沿轴倾斜）在其南半球的夏季明显更接近太阳，与一个火星年中的其他时间相比，这会导致更多的地表受热和更多的尘埃进入大气。

如今，随着火星南方夏季的到来，科学家预计未来几个月火星上可能会有更多的航班延误。

‍