火星是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)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(guān)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(huán)是火星氣候系統(tǒng)中極為重要的一環(huán)，其重要程度類似于地球海洋及水循環(huán)。近年來最新的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，火星大氣中的重要揮發(fā)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(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以在幾個火星天內(nèi)將對流層的水汽抬升至上百公里的高度。這些新發(fā)現(xiàn)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(fā)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(huán)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(shù)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(fā)表題為“Dust Tides and Rapid Meridional Motions in the Martian Atmosphere During Major Dust Storms”的學術(shù)論文，揭示了火星沙塵暴期間存在的劇烈沙塵潮汐現(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(shù)據(jù)，對近7個火星年中發(fā)生的尺度在數(shù)千公里乃至覆蓋全球的大型沙塵暴進行研究，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象來自于南半球沙塵大范圍的周日經(jīng)向運動。而沙塵的物理狀態(tài)和化學性質(zhì)相對穩(wěn)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(jié)構(gòu)。利用這些觀測結(jié)果以及大氣潮汐理論模型，該研究發(fā)現(xiàn)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(jīng)向風主導了沙塵潮汐現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明火星大氣在沙塵暴期間存在快速的經(jīng)向運動，結(jié)合火星大氣環(huán)流數(shù)值模型進一步研究發(fā)現(xiàn)，潮汐風可以將夏季火星極區(qū)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(qū)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(chǎn)生大量的H，從而增加了火星大氣H的逃逸。另一方面，該現(xiàn)象表明在火星上存在著有別于地球大氣的經(jīng)向物質(zhì)交換機制。地球中-高緯之間的大氣熱量與物質(zhì)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(qū)。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(zhì)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(shù)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(zhàn)略性先導科技專項（B類）、國防科工局民用航天技術(shù)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。
