中新網(wǎng)北京12月1日電 (記者 孫自法)被視為人類星際移民首選的火星，其巨型沙塵暴等大氣環(huán)境研究一直備受關(guān)注。
記者12月1日從中國科學(xué)院大氣物理研究所(大氣所)獲悉，該所科研團隊自主研發(fā)出新一代火星大氣環(huán)流模式(GoMars)，基于該模式，近日成功實施首次全面模擬火星沙塵循環(huán)，科學(xué)解密了火星沙塵行為，并通過有效評估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)測奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。
本次研究在GoMars的50年模擬中爆發(fā)的11次全球性沙塵暴，以及沙塵循環(huán)相關(guān)機制的示意圖。中國科學(xué)院大氣所 供圖這項火星大氣模式研發(fā)及模擬研究的重要進展，由中國科學(xué)院大氣所研究員王斌、正高級工程師董理、博士研究生劉帥等與合作者完成，相關(guān)成果論文在最新一期專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《大氣科學(xué)進展》(AAS)發(fā)表。
為何研發(fā)火星大氣環(huán)流模式
科研團隊介紹說，作為一顆與地球最為相似的太陽系“姊妹星”，火星始終以其神秘面貌召喚著人類的探索。不過，火星也潛藏著致命威脅，包括稀薄的大氣、強烈的輻射、巨型的沙塵暴等。正如電影《火星救援》所展現(xiàn)的，一場突如其來的劇烈沙塵暴，足以讓設(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)涵蓋所有與沙塵相關(guān)的過程與機制，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，火星上隨機爆發(fā)的全球性沙塵暴，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。因此，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”系列任務(wù)的成功實施與穩(wěn)步籌備，中國火星探測已邁入全新階段，對火星大氣環(huán)境尤其是對沙塵循環(huán)的認(rèn)知需求日益迫切。為填補中國在火星數(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)流模式應(yīng)運而生。
如何系統(tǒng)模擬火星沙塵循環(huán)
在本項研究中，科研團隊基于中國研發(fā)的新一代火星大氣環(huán)流模式，對火星沙塵循環(huán)開展系統(tǒng)性模擬研究，重點展示沙塵循環(huán)的多時間尺度變率，并成功模擬出其中最具挑戰(zhàn)的、也是火星大氣模擬公認(rèn)難點之一的年際變率。
他們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，完成長達50個火星年(1個火星年約合2個地球年)的沙塵循環(huán)模擬，系統(tǒng)探究其多時間尺度變率特征。其中，GoMars完整模擬出火星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。
本次研究的GoMars中沙塵相關(guān)過程的計算流程。中國科學(xué)院大氣所 供圖對火星沙塵循環(huán)的模擬方面，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)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，GoMars模擬的塵卷風(fēng)起沙通量峰值出現(xiàn)在火星當(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。此外，GoMars準(zhǔn)確模擬出火星亞馬遜地區(qū)作為塵卷風(fēng)活動熱點的強烈起沙現(xiàn)象，與觀測識別結(jié)果一致。
科研團隊指出，GoMars能自然模擬出火星全球性沙塵暴事件，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，包括火星不規(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。
未來進一步研究有何計劃
中國科學(xué)院大氣所科研團隊透露，在成功研發(fā)GoMars和全面模擬火星沙塵循環(huán)的基礎(chǔ)上，他們計劃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，該團隊將集成火星水循環(huán)過程，研究其與沙塵循環(huán)的相互作用，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。(完)