火星上的恶魔

这些真的会发生吗？根据NASA的太空探索展望，宇航员们将在未来几十年内造访火星。等他们到达那里的时候，旋风沙柱一定会守候着他们。 “火星旋风沙柱底部的沙粒将是最大的威胁，”德州农工大学（Texas A & M University）大气科学系的助理研究科学家——马克·T·莱蒙（Mark T. Lemmon）说。“火星上的气压只有[地球]海平面上的百分之一，因此你不会感到有多大的风吹拂着你。不过你还是会受到高速物体的连续轰击。” 并且，运动着的尘埃和沙粒也许会携带电荷，达到“向你的太空服或漫游车释放电弧，并且产生出电磁干扰”的程度，NASA哥达德太空飞行中心的威廉·M·法雷尔（William M. Farrell）补充道。火星上旋风沙柱的形成与它们在地球沙漠中的形成过程一样。“你需要强烈的表面加热，这样地面才能变得比上面的空气更热，”莱蒙解释说。地表附近被加热的低密度空气上升，穿透上面那层更冷、更高密度的空气；热气体的上升气流和冷气体的下降气流在垂直方向上循环起来，形成了对流泡（convection cells）。现在，如果有一阵水平的微风吹过，“它就会使对流泡侧向一边，这样它们就会开始水平旋转，形成垂直的圆柱——一个旋风沙柱也就开始现身了。” 上图：旋风沙柱形成过程的简单草图。圆柱中心上升的热空气驱使着旋转的空气越转越快——快到足以开始卷起沙粒。然后，冲刷着地面的沙粒卷起面粉般细腻的尘埃，中心上升的热气体柱将那些尘埃高高地浮起。一旦盛行的水平风开始推动旋风沙柱在地面上移动，那就要千万小心！ “如果你现在在正午时分，站到勇气号火星车的旁边[位于古瑟夫环形山中]，你将会看到半打旋风沙柱，”莱蒙说。火星上春夏季节的每一天，旋风沙柱都会在大约上午10点，随着地面的加热而开始出现，大约下午3点，随着地面的冷却而逐渐平息（火星上的太阳日是24小时39分，只比地球太阳日长了39分钟）。尽管火星旋风沙柱的确切出现频率和持续时间仍然未知，但在轨运行的火星全球勘测者（Mars Global Surveyor）拍摄的照片，已经在这颗行星的所有纬度上揭露出了数不清的飘移轨迹。这些在地表纵横交错的轨迹，是由旋风沙柱卷走地表上疏松的物质，暴露出下层不同颜色的土壤而形成的。此外，真正的旋风沙柱也已经在轨道上被拍摄了下来——其中一些规模巨大，底部宽达1到2公里，高度显然达到了8到10公里（根据它们的影子）。然而，在追逐亚历桑那沙漠中的旋风沙柱的过程中，一个奇怪的事实引起了法雷尔的兴趣，这就是地球上的旋风沙柱是带有电荷的——也许火星旋风沙柱也是如此。上图：2005年3月15日，火星正午，一个火星旋风沙柱正在古瑟夫环形山上疾驰。图片提供：勇气号火星车。旋风沙柱中的电荷是由沙粒和尘埃在旋风中相互摩擦而产生的。当两种明显不同的物质相互摩擦时，一种物质会将一部分电子（负电荷）让给另一种物质。如此分离电荷的方式被称为摩擦生电。当你用一个气球摩擦你的脑袋时，摩擦生电会使你头发的末梢竖起。尘埃和沙粒，就好像塑料和头发，组成了摩擦生电的两种物体。（尘埃和沙粒并不一定都是由同一种材料所构成的，莱蒙指出，因为“尘埃可以来自于任何地方。”）较小的尘埃颗粒趋向于携带负电，从较大的沙粒中带走电子。由于驱动旋风沙柱的中央上升热空气柱会将携带负电荷的尘埃带上高空，留下较重的、携带正电的沙粒在低部附近盘旋，电荷就被分离开来，产生了一个电场。“在地球上，利用仪器，我们已经测到的电场相当于每平方米20千伏（20 kV/m）的量级，”法雷尔说。与地球上雷暴中的电场相比，这只是个小家伙，只有在比它大上100倍的电场下，闪电才会出现——这样的电场才足以电离空气分子。但是，仅仅20 kV/m，“就非常接近稀薄火星大气的击穿电场了，”法雷尔指出。更值得注意的是，火星上旋风沙柱的规模要比地球上大得多，以致于它们所贮存的电能可能也要高得多。“这些电场会如何放电呢？”他问道。“你会在旋风沙柱中遇到火星闪电吗？”即使闪电通常不会自发产生，宇航员或漫游车或居住房屋的存在也可能引发丝状放电（filamentary discharges），或者局部电弧。“你真正必须留意的东西是物体的犄角，那里的电场可以变得非常强大，”他补充说。“也许你应该把你的漫游车或定居房屋建造得圆滑一些。” 右图：旋风沙柱的轨迹，在轨运行的火星全球勘测者摄于2004年10月14日。火星宇航员们需要考虑的另一件事情，应该是“带电颗粒击中-天线所产生的无线电噪声，”法雷尔警告说。在旋风沙柱席卷而来，又扬长而去之后，它所留下的纪念品，就是太空服、漫游车和居住房屋上大量增加的附着尘埃，它们是通过静电粘滞吸附在物体上的——同样的现象会使得从干衣机中取出的短袜全都粘在一起——这会使得进入房屋之前的清洁工作变得更加困难。由于火星旋风沙柱可以高达8到10公里，行星气象学家们现在认为这些旋风沙柱也许就是将如此多的尘埃高高地抛入火星大气层的原因。对宇航员来说特别重要的是，这些高层大气中的尘埃也许同样带有负电荷。风暴顶层积累的电荷可能会对火星上发射的火箭产生威胁，就像1969年11月阿波罗12号在一场雷暴雨中，从佛罗里达州发射升空时遭遇的情况一样：火箭排出了电离空气分子，留下了一条直通地面的带电分子轨迹，触发了一道直劈飞船的闪电。 “早期的航海家，比如哥伦布知道，他们的船只必须为极端的气候条件而设计，”法雷尔指出。“要设计一项前往火星的任务，我们必需知道极端的火星气候——那些极端条件似乎就是以沙尘暴和旋风沙柱的形式出现的。”
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