李陶教授课题组最新成果揭示火星沙尘暴期间存在的剧烈沙尘潮汐现象

近期，中国科学技术大学地球和空间科学学院李陶教授与中山大学大气科学学院空间天气团队的吴兆朋博士后（2018年博士毕业于李陶教授课题组）、李静博士后（2018年博士毕业于李陶教授课题组）、崔峻教授、美国加州大学圣克鲁兹分校的张曦教授合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Dust Tides and Rapid Meridional Motions in the Martian AtmosphereDuring Major Dust Storms”的学术论文，揭示了火星沙尘暴期间存在的剧烈沙尘潮汐现象，并提出了沙尘暴期间大气氢（H）逃逸的短周期输运新机制。

火星是迄今为止人类发现的与地球最相似的类地行星，两者气候的比较研究对于我们了解地球大气的演化有重要意义；而气候变化也直接关系到火星上水的存在，所以火星大气的研究对于地外生命和宜居性的探索也有重要作用。作为沙漠星球，火星地表和大气中的沙尘及沙循环是火星气候系统中极为重要的一环，其重要程度类似于地球海洋及水循环。近年来最新的卫星观测数据发现，火星大气中的重要挥发物（如H₂0和HDO等）在大型沙尘暴天气下存在由深对流主导的快速抬升现象，这种现象可以在几个火星天内将对流层的水汽抬升至上百公里的高度。这些新发现表明火星大气中短周期的动力学过程尤为重要，然而目前科研工作者对火星沙尘的研究还主要集中于气候尺度演化，对于火星上频发的沙尘暴等极端天气主导的短周期过程了解甚少。

图1. 火星大型沙尘暴期间剧烈的沙尘周日变化

该论文利用美国宇航局（NASA）的火星勘测轨道飞行器（MRO）的观测数据，对近7个火星年中发生的尺度在数千公里乃至覆盖全球的大型沙尘暴进行研究，发现火星南半球高纬对流层上部的沙尘普遍存在着强烈的周日变化（图1），进一步的观测表明这种现象来自于南半球沙尘大范围的周日经向运动。而沙尘的物理状态和化学性质相对稳定，是大气风场的最好示踪物，所以由沙尘的运动可以反推火星上难以观测的大气风场结构。利用这些观测结果以及大气潮汐理论模型，该研究发现火星南半球沙尘暴期间存在着强烈的周日潮汐风场，而正是周日潮汐的经向风主导了沙尘潮汐现象。

该现象表明火星大气在沙尘暴期间存在快速的经向运动，结合火星大气环流数值模型进一步研究发现，潮汐风可以将夏季火星极区冰盖附近丰富的水汽快速输送至中低纬（图2）。这些水汽可以在中低纬地区日间深对流的作用下被抬升至中高层大气，在太阳紫外辐射的作用下产生大量的H，从而增加了火星大气H的逃逸。另一方面，该现象表明在火星上存在着有别于地球大气的经向物质交换机制。地球中纬度与高纬度之间的大气热量与物质交换强烈地依赖罗斯贝波（Rossby wave）的主导作用。虽然大气热力潮汐也是地球上早已熟知的大气波动，但对中低层大气作用较小，且主要局限于热带地区。然而，火星稀薄的大气可以显著增强热力潮汐的作用，该研究提出的潮汐风在火星大气水平运动中的重要作用，使人们对行星大气中-高纬之间的物质交换有了新的认识。

图2. 火星南半球大气潮汐风（箭头）主导的沙尘周日经向运动（a，b），红色星号代表太阳位置，LT代表地方时；火星南半球夏季非沙尘暴期间（c）和沙尘暴期间（d）的火星大气风场（箭头）及其主导的水汽周日经向运动。

该论文的第一作者是吴兆朋博士；吴兆朋博士与李陶教授为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金项目、国防科工局民用航天技术预先研究项目、和中国科学院月球与深空探测重点实验室开放基金项目等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14510-x