我國科學(xué)家全面模擬火星沙塵循環(huán)

記者從中國科學(xué)院大氣物理研究所獲悉，近期該所科研人員成功研發(fā)火星大氣環(huán)流模式GoMars。基于該模式，研究團隊對火星沙塵循環(huán)開展了系統(tǒng)性模擬研究，全面模擬了火星沙塵循環(huán)，重點展示了沙塵循環(huán)的多時間尺度變率，并成功模擬了其中最具挑戰(zhàn)的年際變率，這是火星大氣模擬公認的難點之一。此外，該研究有效評估了GoMars的模擬性能，為未來實現(xiàn)可靠的火星天氣預(yù)報與氣候預(yù)測奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果已在學(xué)術(shù)期刊《大氣科學(xué)進展》發(fā)表。

火星，這顆與地球最為相似的“太陽系姊妹星”，始終以其神秘面貌召喚著人類的探索。荒漠之下，或許隱藏著生命起源的線索，也孕育著人類拓展生存邊界的希望。然而，火星也潛藏著致命威脅——稀薄的大氣、強烈的輻射，以及最令人畏懼的、足以席卷整個星球的巨型沙塵暴。一場突如其來的劇烈沙塵暴，足以讓火星探測設(shè)備、太陽能電池板和通信系統(tǒng)等設(shè)備失靈，令人類的探索任務(wù)陷入絕境。從廣義上看，火星的沙塵循環(huán)系統(tǒng)涵蓋了所有與沙塵相關(guān)的過程與機制，其中包含各種尺度的沙塵暴。這一系統(tǒng)在塑造火星日常天氣的同時，更在其長期氣候演化中扮演著核心角色。其中，“隨機”爆發(fā)的全球性沙塵暴（Global Dust Storm，簡稱GDS），是典型的極端天氣事件，也是引發(fā)火星氣候出現(xiàn)顯著年際變率的主要驅(qū)動力。

盡管火星是人類迄今觀測數(shù)據(jù)最豐富的地外行星，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)在時間連續(xù)性、空間覆蓋度和時空分辨率方面仍存在明顯局限。要看清火星沙塵循環(huán)的全貌，大氣數(shù)值模式，顯得尤為重要。它基于火星大氣物理理論構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，依托超級計算機求解復(fù)雜的控制方程組，從而實現(xiàn)對火星氣候系統(tǒng)的全面模擬與預(yù)測。

隨著“天問一號”任務(wù)的成功實施與“天問三號”采樣返回任務(wù)的穩(wěn)步籌備，中國火星探測已邁入全新階段，對火星氣象環(huán)境，尤其是對沙塵循環(huán)的認知需求日益迫切。為填補我國在火星數(shù)值模擬領(lǐng)域長期存在的自主模式空白，首個中國自主研發(fā)的火星大氣環(huán)流模式GoMars（Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars）應(yīng)運而生。

本研究基于GoMars，通過在邊界層中引入沙塵湍流混合過程，并結(jié)合對地表起沙通量的合理約束，完成了長達50個火星年（1個火星年約2個地球年）的沙塵循環(huán)模擬，系統(tǒng)探究了其多時間尺度變率特征。GoMars完整模擬了沙塵在大氣中的運動過程，包括塵卷風(fēng)和風(fēng)應(yīng)力沙塵抬升、沙塵的平流和沉降等。

研究發(fā)現(xiàn)，GoMars在多個關(guān)鍵方面再現(xiàn)出沙塵循環(huán)的日循環(huán)、季節(jié)變化和年際變率特征。在非全球性沙塵暴年份中，沙塵的日變化與季節(jié)變化具有顯著的重復(fù)性。模擬所得的“氣候平均態(tài)”（即所有非全球性沙塵暴年份的集合平均）成功再現(xiàn)了沙塵在垂直-緯向方向上的季節(jié)性分布形態(tài)與強度，結(jié)果經(jīng)火星氣候分析數(shù)據(jù)集與“火星氣候探測儀”觀測資料的驗證一致。在缺乏直接觀測數(shù)據(jù)的情況下，研究進一步將GoMars模擬的近地表風(fēng)應(yīng)力起沙通量與國際上先進的MarsWRF等火星大氣環(huán)流模式進行對比，結(jié)果顯示二者在季節(jié)變化與空間分布上具有良好一致性。

在日循環(huán)尺度上，模擬的塵卷風(fēng)起沙通量峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r間12:00至13:00之間，與“火星探路者”火星車的實測記錄相符。

GoMars能夠自然模擬出全球性沙塵暴事件，再現(xiàn)其發(fā)生時間、位置及沙塵傳輸路徑，并與特定火星年的實際觀測吻合。此外，該模式還模擬出顯著的年際變率，包括不規(guī)則的全球性沙塵暴爆發(fā)間隔以及合理的沙塵–大氣間的相互反饋。

研究團隊計劃在現(xiàn)有基礎(chǔ)上引入更貼近實際觀測的動態(tài)下墊面特性，以深入探究目前尚不明確的火星沙塵循環(huán)年際變率機制；同時，將集成火星水循環(huán)過程，研究其與沙塵循環(huán)的相互作用。此外，團隊還將為GoMars構(gòu)建先進的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。團隊的最終目的是將GoMars構(gòu)建為具備火星天氣預(yù)報能力的系統(tǒng)，利用未來“天問三號”的實測數(shù)據(jù)，進行實時火星天氣預(yù)報。

（來源：央視新聞）