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火星大气与地球大气比较

火星大气与地球大气的异同及其热力动力差异分析

行星大气是包裹着行星体的中性气体和电离气体的总称。火星,是太阳系八大行星之一,体积只有地球的0.15,质量只有地球的1/9,火星上也有四季变化,由于它绕太阳运行一周约687天(地球时),故每季的长度约为地球上两倍[1-3]。1958年7月14日,美国水手4号空间探测器飞越火星,首次向地球传回近距离拍摄的火星图片。1955年9月18日,美国全国地理学会和洛厄尔天文台的天文学家报告说,在火星上有一块相当于得克萨斯州大小的区域变成草绿色,进一步使人相信地球外存在生命形式的理论。本文就火星与地球有关大气的异同和热力动力差异,在大气成分、大气结构等六个方面进行比较分析:

1、大气成分

火星大气层很薄,大气密度只有地球的大约1%,表面平均气压只有6毫巴(约为地球的0.6%),火星的那层薄薄的大气主要是由余留下的二氧化碳(95.3%)加上氮气(2.7%)、氩气(1.6%)和微量的氧气(0.15%)和水汽(0.03%)组成的。火星表面的平均大气压强仅为大约6毫巴(比地球上的1%还小),但它随着高度的变化而变化,在盆地的最深处可高达9毫巴,而在奥林匹斯山脉的顶端却只有1毫巴。但是它也足以支持偶尔整月席卷整颗行星的飓风和大风暴。非常干燥,温度低,地表温度白天可达28℃,夜晚可低至-132℃,平均-57℃,水和二氧化碳易冻结。

在火星的早期,火星大气主要成分是二氧化碳,行星学家们发现,火星上存在着很多方柱石微粒尘埃,方柱石晶体的主要成分是碳酸盐,而碳酸盐正是二氧化碳气体的稳定来源。像地球一样,火星上几乎所有的二氧化碳都被转化为含碳的岩石。但由于缺少地球的板块运动,火星无法使二氧化碳再次循环到它的大气中,从而无法产生意义重大的温室效应。因此,即使把它拉到与地球距太阳同等距离的位置,火星表面的温度仍比地球上的冷得多。

两者都存在水的形态,不同的是地球上有的是丰富的液态水,它是生命的源泉,而火星上只发现在大气中含有微量的水蒸气[4]。

2、大气结构

大气结构是指大气在垂直方向和水平方向上气象要素分布不均匀性的状况。在垂直方向上,根据温度、成分、电荷等物理性质,同时考虑大气垂直运动的情况。将大气分为对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层等五个层次,即为大气的垂直分层。在水平方向上,在对流层内,由于受纬度、海陆和地形等因素的影响,可以划分出物理属性比较均匀的各类气团,如热带海洋气团、热带大陆气团、极地海洋气团、极地大陆气团等;在冷气团与暖气团交绥的地带却形成气象要素和天气状况变化剧烈的锋面。

依据气温变化,火星大气可分为四层:低层大气、中层大气、高层大气(热气层)、逸散层。

3、大气环流

火星和地球的热力动力模式相接近[5]。大气环流是完成行星—大气系统角动量、热量和水分的输送和平衡,以及各种能量间的相互转换的重要机制,又同时是这些物理量输送、平衡和转换的重要结果。因此,研究大气环流的特征及其形成、维持、变化和作用,掌握其演变规律,不仅是人类认识行星的不可或缺的重要组成部分,有利于探索全球气候变化,以及更有效地利用气候资源[6]。

地球大气平均经圈环流指在南北-垂直方向的剖面上,由大气经向运动和垂直运动所构成的运动状态。通常,对流层的径圈环流存在三个圈:低纬度是正环流或直接环流,又称为哈得来环流;中纬度是反环流或间接环流,又称为费雷尔环流;极地是弱的正环流。

火星大气环流主要为单圈环流,由赤道相对热空气上升,漂至极区下沉,再沿地面回到赤道。另外,在火星的夏半球,极冠的二氧化碳升华进入大气,使气压升高;而冬半球由于二氧化碳凝华,气压下降,由于进出大气的二氧化碳量高达25%,造成南北压力差,空气便倾向由高压的夏半球流向低压的冬半球,形成另一依季节而变向的环流。因此火星的天气系统趋向成为全球性的,例如尘暴[7]。

4、季节变化

探测研究结果发现,约占火星大气总质量 25%的 CO

2

在火星极区有冷凝和

升华过程,这是火星大气中CO

2变化的主要特征之一。火星极区CO

2

的冷凝和升

华过程是由极区的辐射收支决定的。当太阳照在南极时,火星大气温度可达

300K,南极的干冰升华、向大气输入 CO

2

;同时在北极,大气温度下降到 140K,

大气中的CO

2

冷凝成干冰,使火星大气质量产生很大的季节性变化。火星大气质量的季节性变化在地球上是没有的。这种过程能产生热量、动量和微量成分

沿子午线传输。CO

2

的巨大变化将引起火星表面大气压的巨变。Viking 飞船还获得了火星表面大气压和大气温度随季节的变科技导报 2011,29(10)化曲线。火星表面的压力在秋季初最低,在冬季初最大,在春季初有一不明显的极小值,在夏季初有一不明显的极大值。在不同纬度处,火星表面大气的温度随季节有不同的变化现象。地球上水的蒸发主要发生在亚热带地区,降雨主要发生在赤道和南北半球的中纬度地区。在火星上则完全不同,蒸发主要发生在日照的火星极盖区,并能直接升华为水蒸气;而沉降主要发生在背阳面的极盖区,其中的物理输运过程目前并不很清楚。水蒸气的冷凝取决于大气的相对湿度和温度,而水汽传输取决于水蒸气的水平和垂直分布。地球上的天文观测很早就已发现火星上存在强烈的尘暴现象。空间飞行器探测表明,火星尘暴也有明显的季节性变化。

水手 9 号(Mariner 9)飞行器还发现,火星上冬、夏半球有相差 100 倍的臭氧总量。

5、火星大气的光化学过程

火星大气的主要成分是 CO

2,其次是 N

2

、Ar、H

2

O、O

2

、CO 和 O

3

。在火星的

高层大气中(约 100km)探测到氢原子、氧原子及离子成分[16]。火星大气光化学的核心问题是CO

2

的稳定性,火星大气中发现的循环在地球中层和热层大气中也是重要的。火星大气中 OH 含量仅为 105mol/cm3,但通过催化反应,它却对火星大气成分起着主要的控制作用,这是光化学过程精巧和强有力的例证。

6、气候

由于火星的自转轴有明显倾斜,亦有明显的四季变化,不过一季约为地球的两倍长。另一不同于地球的是,火星的轨道离心率比地球大,就是火星近日点、远日点的差别较大,当位于近日点时,南半球处夏季,比北半球远日点夏季所造成的升温更强,而北半球的冬天亦比南半球的冬天冷[8]。

参考文献

[1] 史建魁,刘振兴,程征伟.火星探测结果分析[J].科技报导.2011,29(10)

[2] 中国科学院贵阳地球化学研究所.简明地球化学手册[M].科学出版社.

[3] 尹怀勤.从火星大气中的甲烷说起[J].天津科技.2004(3)

[4] 刘林森.火星:“第二个地球”的诱惑[J].世界科学 2011.03

[5] 陈哲明.行星大气对热源和扰动的响应[J].天文学报.1979,20(3)

[6] 李麦村.火星地形对火星大气运动的影响及火星尘暴发生的可能机制[J].空间科学学报.1984,4(4)

[7] 吕越华,集纪平.行星大气温度分布的气候理论[J].大气科学.1981,5(2)

[8] 李崇银.大气运动的一些基本动力过程的研究[J].气象科技,1983,(03)

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