在火星上，春天爆发出剧烈的变化。 霜冻雪崩、二氧化碳气体喷泉和强风重塑了火星表面，留下了令人惊叹的图案，如漩涡状的极地槽和蜘蛛般的痕迹。 科学家们利用火星勘测轨道器来研究这些因半球而异的季节性现象。
在地球庆祝新年前夕的今天，研究火星的科学家们已经提前完成了任务。 这颗红色星球于 2024 年 11 月 12 日完成了它最近一次绕太阳运行的轨道，这给了研究人员一个庆祝的理由。
火星年持续687个地球日，结束时与地球年截然不同，尤其是在北半球。 当地球上进入冬季时，火星上的春天开始了，气温升高，冰层变薄。 这引发了戏剧性的事件：冰霜雪崩从悬崖上滚落，二氧化碳气体从地下迸发，狂风重塑了地球的北极。
"地球上的春天，水冰逐渐融化，涓涓细流不断流淌。 但在火星上，一切都发生得轰轰烈烈，"南加州NASA 喷气推进实验室（JPL ）研究行星表面的塞丽娜-迪尼加（Serina Diniega）说。
这是火星上新的一年，虽然新年在地球北半球意味着冬天，但在红色星球的同一地区却是春天的开始。 这意味着冰正在解冻，从而导致各种有趣的事情发生。 JPL 研究科学家 Serina Diniega 解释道。 图片来源：NASA/JPL-Caltech
升华： 冰的破裂
火星飘渺的大气层不允许液体像地球一样在表面聚集。 冰不会融化，而是升华，直接变成气体。 春季的突然转变意味着许多剧烈的变化，因为水冰和二氧化碳冰（干冰，在火星上比冰冻的水要多得多）都会减弱和破裂。
迪尼加说："你会看到很多裂缝和爆炸，而不是融化。我想象它变得非常嘈杂。"
科学家们利用2005年发射的美国宇航局火星勘测轨道飞行器（MRO）上的照相机和其他传感器，对所有这些活动进行研究，以加深他们对塑造动态火星表面的力量的理解。 以下是他们跟踪的一些情况。
火星的春天有很多冰裂缝，因此美国宇航局火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）上的 HiRISE 相机在 2015 年捕捉到了这块 66 英尺宽（20 米宽）的二氧化碳霜。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学
霜崩： 戏剧性的展示
2015年，MRO的高分辨率成像科学实验（HiRISE）相机捕捉到了一块66英尺宽（20米宽）的二氧化碳冰霜。 Diniega 说，这样的偶然观测提醒我们火星与地球是多么的不同，尤其是在春季，因为此时火星表面的变化最为明显。
Diniega 说："我们很幸运能有 MRO 这样的航天器长时间观测火星。近20年的观察让我们捕捉到了像这些雪崩这样的戏剧性时刻。"
当光线穿过火星上的二氧化碳冰层时，它加热了冰层的底层，这些冰层没有融化成液体，而是变成了气体。 积聚的气体最终形成爆炸性的喷泉，将深色的碎屑扇抛向火星表面。 资料来源：NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学
气体间歇泉： 爆炸性的春季喷流
Diniega 依靠 HiRISE 研究了火星春季的另一个奇特现象：从地表喷出的气体喷泉，喷出沙尘的黑扇子。 这些爆炸性喷流的形成是由于二氧化碳冰的高能升华。 当阳光穿过冰层时，冰的底层就会变成气体，压力不断增大，直至迸发到空气中，形成那些暗色的物质风扇。
不过，要想看到最新扇形的最佳范例，研究人员还得等到 2025 年 12 月，也就是南半球春季开始的时候。 在那里，风扇更大，轮廓也更清晰。
有时，二氧化碳喷泉从火星的冰雪覆盖区喷出后，会在火星表面留下冲刷痕迹。 当夏天冰层全部消失后，这些长长的冲刷痕迹看起来就像巨型蜘蛛的腿。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学
火星蜘蛛： 北半球之谜
两个半球与冰有关的活动还有一个不同之处： 一旦北方一些间歇泉周围的冰在夏季全部升华，泥土中就会留下冲刷的痕迹，从太空中看，这些痕迹就像巨大的蜘蛛腿。 研究人员最近在 JPL 实验室里重新创造了这一过程。
随着气温的升高，强大的风力会在火星北极的冰盖上刮出深深的沟槽。 其中一些冰槽有加利福尼亚那么长，给火星北极带来了标志性的漩涡。 这张照片是由美国国家航空航天局（NASA）目前仍在运行的火星全球勘测器拍摄的。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS
强劲的风和极地漩涡
对于多伦多约克大学的艾萨克-史密斯（Isaac Smith）来说，春季最迷人的主题之一就是火星北极德克萨斯州大小的冰盖。 冰盖上刻画着漩涡状的沟槽，露出了下方红色表面的痕迹。 这种效果就像拿铁咖啡中的牛奶漩涡。
史密斯说："这些东西非常巨大，"他指出，有些有加利福尼亚那么长。我们可以在南极洲找到类似的海槽，但没有这种规模的。"
快速的暖风在漫长的岁月中刻画出了螺旋形状，这些波谷是春季阵风的通道，随着北极的冰开始解冻，阵风的威力会变得更大。 就像南加州的圣安娜风或落基山脉的奇努克风一样，这些阵风顺着风槽而下时，速度和温度都会上升，这就是所谓的绝热过程。
2022年9月8日，美国宇航局火星勘测轨道飞行器使用HiRISE相机从高空拍摄到了这些位于火星北半球、被冰霜包围的火星沙丘。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学
迁徙的沙丘： 春之舞
雕刻北极刘海的风也重塑了火星的沙丘，使沙子堆积在一侧，同时从另一侧带走沙子。 随着时间的推移，这个过程会导致沙丘迁移，就像地球上的沙丘一样。
今年九月，史密斯与他人合作撰写了一篇论文，详细描述了二氧化碳如何在冬季沉降到极地沙丘顶部，将其冻结在原地。 到了春天，霜全部解冻后，沙丘又开始迁移。
北方的每个春天都有些不同，变化导致冰升华的速度或快或慢，控制着地表所有这些现象的节奏。 这些奇怪的现象只是火星季节变化的一部分：南半球也有自己独特的活动。
关于 MRO 的更多信息
火星勘测轨道器（MRO）是美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）管理的一个重要航天器，该实验室隶属于位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院，为美国国家航空航天局（NASA）科学任务局服务。 自 2005 年发射以来，MRO 一直在研究火星的表面、气候和地质，为科学研究和未来探索提供了宝贵的数据。
它的杰出仪器之一是高分辨率成像科学实验（HiRISE）相机，由位于图森的亚利桑那大学负责操作。 HiRISE由位于科罗拉多州博尔德的波尔航天技术公司制造，能够捕捉到火星表面令人难以置信的详细图像，使科学家能够研究雪崩、沙丘和季节变化等动态过程。 与 MRO 上的其他先进仪器一起，HiRISE 大大推进了我们对红色星球的了解，使该轨道器成为美国宇航局迄今为止最成功的任务之一。
编译自/scitechdaily