火星是迄今為止人類發現的與地球最相似的類地行星，兩者氣候的比較研究對于我們了解地球大氣的演化有重要意義；而氣候變化也直接關系到火星上水是否存在的問題，所以火星大氣的研究對于地外生命和宜居性的探索有重要作用。
作為沙漠星球，火星地表和大氣中的沙塵及沙循環是火星氣候系統中極為重要的一環，其重要程度類似于地球海洋及水循環。近年來最新的衛星觀測數據發現，火星大氣中的重要揮發物（如H2O和HDO等）在大型沙塵暴天氣下存在由深對流主導的快速抬升現象，這種現象可以在幾個火星天內將對流層的水汽抬升至上百公里的高度。這些新發現表明火星大氣中短周期的動力學過程尤為重要，然而目前科研工作者對火星沙塵的研究還主要集中于氣候尺度演化，對于火星上頻發的沙塵暴等極端天氣主導的短周期過程了解甚少。
近日，我校大氣科學學院行星環境與宜居性研究實驗室崔峻教授團隊的博士后吳兆朋、李靜與中國科學技術大學的李陶教授、美國加州大學圣克魯茲分校的張曦教授合作，在國際知名期刊Nature Communications上發表題為“Dust Tides and Rapid Meridional Motions in the Martian Atmosphere During Major Dust Storms”的學術論文，揭示了火星沙塵暴期間存在的劇烈沙塵潮汐現象，并提出了沙塵暴期間大氣H逃逸的短周期輸運新機制。
圖1. 火星大型沙塵暴期間劇烈的沙塵周日變化
圖2. 火星南半球大氣潮汐風（箭頭）主導的沙塵周日經向運動（a，b），紅色星號代表太陽位置，
LT代表地方時；火星南半球夏季非沙塵暴期間（c）和沙塵暴期間
（d）的火星大氣風場（箭頭）及其主導的水汽周日經向運動。
該論文利用美國宇航局火星勘測軌道飛行器的觀測數據，對近7個火星年中發生的尺度在數千公里乃至覆蓋全球的大型沙塵暴進行研究，發現火星南半球高緯對流層上部的沙塵普遍存在著強烈的周日變化（圖1），進一步的觀測表明這種現象來自于南半球沙塵大范圍的周日經向運動。而沙塵的物理狀態和化學性質相對穩定，是大氣風場的最好示蹤物，所以由沙塵的運動可以反推火星上難以觀測的大氣風場結構。利用這些觀測結果以及大氣潮汐理論模型，該研究發現火星南半球沙塵暴期間存在著強烈的周日潮汐風場，而正是周日潮汐的經向風主導了沙塵潮汐現象。該現象表明火星大氣在沙塵暴期間存在快速的經向運動，結合火星大氣環流數值模型進一步研究發現，潮汐風可以將夏季火星極區冰蓋附近豐富的水汽快速輸送至中低緯（圖2）。這些水汽可以在中低緯地區日間深對流的作用下被抬升至中高層大氣，在太陽紫外輻射的作用下產生大量的H，從而增加了火星大氣H的逃逸。另一方面，該現象表明在火星上存在著有別于地球大氣的經向物質交換機制。地球中-高緯之間的大氣熱量與物質交換強烈地依賴羅斯貝波的主導作用。雖然大氣熱力潮汐也是地球上早已熟知的大氣波動，但對中低層大氣作用較小，且主要局限于熱帶地區。然而，火星稀薄的大氣可以顯著增強熱力潮汐的作用，該研究提出的潮汐風在火星大氣水平運動中的重要作用，使人們對行星大氣中-高緯之間的物質交換有了新的認識。
我校大氣科學學院博士后吳兆朋為該論文第一作者，大氣科學學院為第一作者單位，吳兆朋與中國科學技術大學李陶教授為共同通訊作者。該研究工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、國防科工局民用航天技術預先研究項目、國家自然科學基金面上項目、中國科學院月球與深空探測重點實驗室開放基金項目等的支持。
