天文学家在赤道附近的火星火山上发现原以为不可能存在的霜冻

这幅高分辨率图像显示了在奥林帕斯山（Olympus Mons）山顶新发现的霜冻，奥林帕斯山不仅是火星上最高的火山，也是整个太阳系中最高的火山。霜冻在火山口（山顶火山口）的地面及其北部边缘呈现蓝色。图像左侧光线充足的陡坡上则没有霜冻。图片来源：ESA/TGO/CaSSIS

霜冻位于塔西斯火山之上：不仅是火星上最高的火山，也是太阳系中最高的火山。欧空局的ExoMars痕量气体轨道器（TGO）首先看到了它，后来TGO和欧空局的火星快车上的另一个仪器也看到了它。

领衔作者阿多玛斯-瓦兰提纳斯（Adomas Valantinas）说："我们原以为在火星赤道周围不可能形成霜冻，因为阳光和稀薄大气的混合使地表和山顶的温度都相对较高--这与我们在地球上看到的情况不同，在地球上你可能会期望看到结霜的山峰，"他在瑞士伯尔尼大学攻读博士学位时发现了这一发现，现在是美国布朗大学的博士后研究员。

从火星快车拍摄的奥林帕斯山透视图，大锅状空洞中的霜冻（蓝色）。图片来源：ESA/DLR/柏林大学（A. Valantinas）

"它在这里的存在令人兴奋，暗示着有特殊的过程在发挥作用，使霜得以形成"。

这些霜斑在日出前后的几个小时内出现，然后在阳光下蒸发。尽管它们很薄，可能只有百分之一毫米厚（和人的头发丝一样粗），但覆盖的面积却很大。在寒冷的季节里，每天大约有 15 万吨水在地表和大气之间交换，相当于大约 60 个奥林匹克游泳池的水量。

火星上塔西斯地区的地形。资料来源：NASA/MGS/MOLA 科学小组、柏林联邦大学

奇特的小气候

火星的塔西斯地区有许多火山，包括奥林匹斯山和塔西斯山：阿斯克雷乌斯火山、帕沃尼斯火山和阿尔西亚火山。其中许多火山都是巨型火山，高耸于周围平原之上，其高度从地球珠穆朗玛峰的一倍（帕沃尼斯蒙斯）到三倍（奥林帕斯蒙斯）不等。

这些火山的山顶都有火山口，也就是大空洞，这是过去火山爆发时岩浆室排空造成的。研究人员认为，塔尔西斯上空的空气以一种奇特的方式循环；这在那里的火山口内形成了一种独特的小气候，使成片的冰霜得以形成。

"风沿着山坡往上走，把地表附近相对湿润的空气带到高空，在那里凝结成霜，"合著者、TGO 彩色和立体地表成像系统（CaSSIS）首席研究员尼古拉斯-托马斯（Nicolas Thomas）说，他是阿多玛斯在伯尔尼大学的博士生导师。"我们实际上在地球和火星的其他地方也看到了这种现象，同样的现象导致了季节性的火星阿西亚蒙斯伸长云。我们在火星火山顶上看到的冰霜似乎特别沉积在火山口的阴影区域，那里的温度更低"。

火星快车拍摄的奥林帕斯蒙斯上的霜冻（蓝色阴影）。图片来源：ESA/DLR/柏林大学

阿多玛斯、尼古拉斯和同事们在奥林匹斯、阿尔西亚和阿斯克雷乌斯蒙斯以及塞拉乌尼乌斯托鲁斯的塔西斯火山上发现了霜冻。通过模拟这些霜冻的形成过程，科学家们可以揭示火星上更多的秘密，包括水的存在位置以及水如何在储层之间流动，并了解火星复杂的大气动态。这些知识对于我们未来探索火星以及寻找地球以外可能存在的生命迹象至关重要。

意料之外，令人信服

这一发现标志着首次在火星赤道发现霜冻。但为什么以前没有发现呢？

"原因有以下几点：首先，我们需要一个能让我们在清晨观测到某个地点的轨道。欧空局的两个火星轨道器--"火星快车"和"TGO"--都有这样的轨道，可以在一天中的任何时间进行观测，而其他机构的许多火星轨道器则与太阳同步，只能在下午进行观测，"阿多玛斯补充说。"其次，霜的沉积与火星的寒冷季节有关，这使得发现霜的窗口变得更加狭窄。简而言之，我们必须知道在何时何地寻找短暂的冰霜。我们碰巧在赤道附近寻找它进行其他研究，但没想到会在火星的火山顶上看到它！"

ExoMars发现Ceraunius Tholus上有霜冻。研究人员首次在火星赤道附近的火山顶上发现了霜冻--在火星的这一区域，人们认为是不可能形成霜冻的。这一发现利用了欧空局ExoMars痕量气体轨道器（TGO）的两台仪器--CaSSIS和NOMAD--的观测数据，以及欧空局火星快车（Mars Express）的额外成像。这张图片显示的是Ceraunius Tholus火山口地面上的霜冻。霜冻显示为蓝色。图片来源：ESA/TGO/CaSSIS

发现霜冻依赖于欧空局两个火星轨道探测器之间的合作：ExoMars TGO 和火星快车。TGO于2016年抵达火星，自2018年开始执行全面科学任务以来，一直在对火星表面、大气层和水进行成像和测绘。火星快车自 2003 年以来一直围绕火星运行，用了二十年的时间探索火星的表面、地下、矿物、现象和大气。

研究小组利用 TGO 的 CaSSIS 仪器发现了霜冻。随后，他们利用 TGO 的"Nadir and Occultation for Mars Discovery (NOMAD)"光谱仪和火星快车的"High Resolution Stereo Camera (HRSC)"再次观察了该区域，确认了他们的发现。

2004 年火星快车观测到的奥林帕斯山。这个垂直视图显示了火星奥林帕斯山山顶复杂的火山口，它是太阳系中最高的火山。奥林帕斯山的平均海拔为 22 千米，火山口深度约为 3 千米。图片来源：ESA/DLR/柏林大学（G. Neukum）

"欧空局负责ExoMars TGO和火星快车的项目科学家科林-威尔逊（Colin Wilson）说："在火星表面发现水总是令人兴奋的，这既有科学意义，也有对人类和机器人探索的影响。"即便如此，这一发现也格外引人入胜。火星的低气压造成了一种陌生的情况，即火星的山顶通常不会比平原更冷--但似乎吹向山坡的潮湿空气仍然可以凝结成霜，这是一种明显类似于地球的现象。这一发现得益于欧空局两个火星轨道器之间的成功合作以及额外的建模。确切地了解地球和火星上哪些现象相同或不同，确实考验并提高了我们对不仅发生在我们的母星上，而且发生在宇宙其他地方的基本过程的理解"。

编译自/ScitechDaily