ESA的ExoMars痕量氣體軌道飛行器在火星大氣層中檢測(cè)到發(fā)光的綠色氧氣，這是首次在地球以外的行星附近看到這種排放。

在地球上，極星極光期間，來自行星際空間的高能電子撞擊高層大氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)光的氧氣。這種由氧氣驅(qū)動(dòng)的光發(fā)射為極光提供了美麗而獨(dú)特的綠色色調(diào)。

然而，極光只是行星大氣發(fā)光的一種方式。隨著陽光與大氣中的原子和分子相互作用，包括地球和火星在內(nèi)的行星的大氣層在白天和黑夜都不斷發(fā)光。白天和晚上的發(fā)光是由略有不同的機(jī)制引起的：夜晚發(fā)光是在相互分離的分子復(fù)合時(shí)發(fā)生的，而白天則是在太陽的光直接激發(fā)原子和分子(例如氮和氧)時(shí)產(chǎn)生的。

在地球上，綠色的夜光非常微弱，因此最好從“邊緣”角度看待，正如國(guó)際空間站(ISS)上宇航員拍攝的許多壯觀圖像所描繪的那樣。當(dāng)在其他行星上搜尋時(shí)，這種昏暗可能是一個(gè)問題，因?yàn)樗鼈兊拿髁帘砻鏁?huì)淹沒它。

自2016年10月以來一直在火星上運(yùn)行的ExoMars微量氣體軌道儀(TGO)首次在火星上檢測(cè)到這種綠色發(fā)光。

比利時(shí)列日大學(xué)的讓-克洛德·蓋拉德(Jean-ClaudeGérard)說：“地球上看到的最亮的一種排放源于夜光。更具體地說，是由于氧原子發(fā)出的特定波長(zhǎng)的光在另一個(gè)星球上從未見過。”發(fā)表在“自然天文學(xué)”上的新研究的主要作者。

“但是，據(jù)預(yù)測(cè)，這種排放物在火星上存在了大約40年了-而且，借助TGO，我們已經(jīng)找到了它。”

Jean-Claude及其同事使用TGO的特殊觀測(cè)模式能夠發(fā)現(xiàn)這種排放。軌道器先進(jìn)的一套儀器，稱為NOMAD(火星發(fā)現(xiàn)的天底和掩星術(shù))，包括紫外線和可見光譜儀(UVIS)，可以在各種配置下進(jìn)行觀測(cè)，其中一種可以將其儀器定位為直接指向火星表面-也稱為“最低點(diǎn)”通道。

“以前的觀測(cè)沒有在火星上捕獲到任何種類的綠色輝光，因此我們決定重新定位UVIS天底通道，使其指向火星的'邊緣'，類似于您從國(guó)際空間站拍攝的地球圖像中看到的透視圖，”比利時(shí)比利時(shí)皇家天體空間研究所的合著者安·卡琳·萬達(dá)勒(Ann Carine Vandaele)和NOMAD的首席研究員補(bǔ)充道。

在2019年4月24日至12月1日之間，讓-克洛德，安·卡林及其同事使用NOMAD-UVIS對(duì)距火星表面20至400公里的每個(gè)軌道進(jìn)行兩次掃描。當(dāng)他們分析這些數(shù)據(jù)集時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了所有數(shù)據(jù)集中的綠色氧氣排放。

Ann Carine補(bǔ)充說：“在大約80公里的高度，這種輻射最強(qiáng)，并且根據(jù)火星和太陽之間不斷變化的距離而變化。”

研究行星大氣的輝光可以提供有關(guān)大氣成分和動(dòng)力學(xué)的大量信息，并揭示太陽光和太陽風(fēng)(我們恒星發(fā)出的帶電粒子流)如何沉積能量。

為了更好地了解火星上的綠色光芒，并將其與我們?cè)谧约盒乔蛏峡吹降墓饷⑦M(jìn)行比較，讓-克洛德和同事們進(jìn)一步研究了它的形成方式。

“我們對(duì)這種排放進(jìn)行了建模，發(fā)現(xiàn)它主要以二氧化碳或CO2的形式分解成其組成部分：一氧化碳和氧氣，” Jean-Claude說。“我們看到了產(chǎn)生的氧原子在可見光和紫外光下都發(fā)光。”

同時(shí)比較這兩種輻射，可見光的發(fā)射強(qiáng)度是紫外線的16.5倍。

Jean-Claude補(bǔ)充說：“火星上的觀測(cè)與先前的理論模型相符，但與我們?cè)诘厍蛑車l(fā)現(xiàn)的實(shí)際發(fā)光并不吻合，在地球周圍，可見光的發(fā)射要弱得多。”“這表明我們需要更多了解氧原子的行為，這對(duì)于我們理解原子和量子物理學(xué)非常重要。”

這種理解是表征行星大氣和相關(guān)現(xiàn)象(如極光)的關(guān)鍵。通過破譯火星大氣層這層綠色發(fā)光層的結(jié)構(gòu)和行為，科學(xué)家可以洞悉很大程度上尚未探索的高度范圍，并監(jiān)視其隨著太陽活動(dòng)的變化以及火星沿著其繞著恒星的軌道行進(jìn)而如何變化。

歐洲航天局TGO的HåkanSvedhem強(qiáng)調(diào)說：“這是首次在地球以外的另一個(gè)星球上觀測(cè)到這種重要的排放物，并且標(biāo)志著基于ExoMars微量氣體軌道儀上NOMAD儀器的UVIS通道的觀測(cè)結(jié)果的首次科學(xué)出版物。”項(xiàng)目科學(xué)家。

“它證明了NOMAD儀器具有極高的靈敏度和光學(xué)質(zhì)量。鑒于這項(xiàng)研究是在火星的白天進(jìn)行的，這比夜晚要明亮得多，因此尤其如此，因此尤其如此。”

了解火星大氣的特性不僅在科學(xué)上很有趣，而且對(duì)于執(zhí)行我們發(fā)送給“紅色星球”的任務(wù)也是至關(guān)重要的。例如，大氣密度直接影響軌道衛(wèi)星和用于將探測(cè)器傳送到火星表面的降落傘所經(jīng)歷的阻力。

霍坎補(bǔ)充說：“這種類型的遙感觀測(cè)，再加上在更高海拔的原位測(cè)量，可以幫助我們預(yù)測(cè)火星大氣將如何響應(yīng)季節(jié)變化和太陽活動(dòng)變化。”“預(yù)測(cè)大氣密度的變化對(duì)于即將執(zhí)行的任務(wù)尤其重要，其中包括ExoMars 2022任務(wù)，該任務(wù)將派出流動(dòng)站和地表科學(xué)平臺(tái)來探索紅色星球的表面。”