为什么火星极光的构成进程会导致行星上的水分丢失

作者：石兰（抄袭必究）

在火星上普遍存在的极光现象可导致水分流失

虽然，人类从诞生以来就一直生活在地球这颗行星上，但这并不妨碍我们大家可以看到许多独特的自然现象和天文现象，并从这些罕见现象中搜寻到地外世界的蛛丝马迹。不同于其它自然现象，极光被我们赋予了浓重的浪漫色彩，再加上并不是地球上的每个角落都可以一睹它的倩影。所以，如果可以亲历一场极光的视觉盛宴，便足以让很多人觉得此生无憾。

图示极光拍摄地点位于加拿大的洛林湖附近，绿色极光在太阳的余晖中将湖面照亮。

虽然，在数十年的地外行星探索之旅中，人类并没有在其他星球上找到生命存在痕迹。但是，我们也因此而对更多星球的星体特征有了基本了解，比如，在火星上也同样存在着极光现象。简而言之，地球并不是唯一存在极光现象的行星，至少火星上也同样普遍性的存在着极光现象。那么，火星极光的形成原理到底是怎样的，为什么该星球上的极光会到导致行星上的水分流失？

火星极光本质上是在白天出现的质子极光

虽然，地球上的极光现象并不是那么容易被所有人遇见，但应该很多人都对其形成有基本了解。地球极光的本质实际上的意思就是一种多姿多彩的等离子体现象，主要是出现在地球的两极区域。它的出现始于太阳风闯入地球的磁场，而之所以会呈现出绚烂多彩的颜色和不同形状，则还在于那些太阳带电粒子流在自身被激发之后，电离了分布在大气层中的各种成分。

越过火星磁场的质子窃取了氢原子中的电子，并在与火星大气发生碰撞后发出紫外光。

虽然，火星极光与地球上的极光现象存在一些相似性，但它本质上却是一种质子极光。并且，火星上的极光现象都是在白天的时间里出现的，由于它们只会发出紫外线这一种信息，所以才导致了我们的眼睛无法捕获其发生的时刻。但是，这一切又怎么能逃过MAVEN航天器IUVS（成像紫外光谱仪）的强大功能。并且，正是火星上的这些极光，为科学家们提供了行星水分如何从大气中流失的重要信息。

事实上，早在2016年的时候，科学家们就通过MAVEN航天器第一次拍摄到了火星极光现象。只是不同于当时带给我们的巨大差异感，因为如今的我们已然认识到该现象在火星上的普遍存在性。虽然，即便是时间来到数年之后的现在，我们依然无法通过自己的眼睛来搜寻它们的踪迹，但探测器所捕获的越多越多的新数据信息，让我们对火星极光的认知也慢慢变得深入。

火星极光的形成消耗了行星的残余水分

当科学家们通过航天器的紫外光谱仪，对火星大气层进行质子极光检测时候发现：在110到150千米高度之间的氢Lyman-alpha（121.6 nm）发射中，火星上的质子极光会显示出明显的强度增加情况。于是，研究人员结合了近几年的火星观测数据，并创建了火星质子极光的综合数据库。

图示信息分别为不同状态下火星上发生的质子极光现象

虽然，火星上的极光现象存在明显的季节性特征，但平均下来我们大约有14%的概率能够捕获到这一现象。由于火星是不具有全球偶极子磁场的，所以，火星极光的形成，其本质上是质子在变成带中性电荷的原子之后、绕过了火星磁层弓形冲击并撞入火星大气层时所产生。而火星上出现极光的频率，则主要取决于太阳天顶角，以及该星球上当时所处于的季节。

当火星沙尘暴季节开始的时候，会出现中性底层大气的季节性膨胀情况，这导致了火星上的质子极光拥有了最高的峰值强度和发射增强。事实上，当火星的北半球处于冬季，也就是它的南半球处于夏季的时候，质子极光的发生频率还可以高达80%以上的时间。高层大气中氢和太阳风的更多相互作用，所有撞入火星稀薄大气层的原子在与气体产生碰撞后发出紫外线，于是便导致夏季出现了更多更强的质子极光。

在火星夏季的沙尘暴天气中，经常形成数十公里高的尘埃塔。

或许很多人并不了解，夏季的火星南半球跟太阳之间的距离最近，此时会有更多的太阳风被星球接收到。众所周知，火星的夏季常常会出现的沙尘暴天气，并导致数十公里高的尘埃塔形成。这些“尘埃塔”会将更多的水蒸气送入了大气层之中，但这些水蒸气无一例外的都被太阳的紫外线分解成了氧气和氢气。

而这些从水蒸气分解出的氢气，增加了火星氢电晕中氢气的含量。也就是说，太阳粒子可以和这些氢气发生更多的相互作用，并最终形成更多的火星极光。简而言之，火星极光的形成离不开太阳风质子和这些从水蒸气中分解出来的氢气，这也是为什么说火星上更多极光的形成，会伴随着行星上剩余水分的进一步流失。虽然，火星流失水分的方式有很多种，我们尚不能确定每种方式的流失水分占比，但火星极光无疑也是其中之一。

图示信息为埋藏于火星Arcadia Planitia地区地下的水冰

火星极光与行星可居住性的丧失有关

放眼整个太阳系，同属于类地行星的火星赢得了人们更多的关注，当然也包括了专业的天文科学家们。尽管如今的火星已然变得不再适合生命居住，其地表不再有流淌的液态水、且大部分区域都被漫天沙漠和砾石所覆盖。但是，根据我们近几十年来的研究结果分析，目前仍然拥有季节特征的火星，可能曾经也是一颗拥有可居住性的星球。

图示信息为古代火星和火星现状对比，前者寒冷干燥，后者有液态水流动。

虽然，关于这颗红色星球具体是如何演化为如今这般模样，人类至今也没有将过程中的所有细节研究清楚。但是，我们大家可以确定的是火星失去水分的途径并不只有一种，而火星可居住性丧失的重要表现之一便是流动液态水体的不复存在。事实上，自从我们了解到古老火星的大气氛围并非现在这样之后，便将更多的精力用来研究它失去气氛的过程。

而之所以火星上的极光现象会引起我们的注意力，主要是跟它的形成原理有关。虽然，关于火星大气气氛的失去，这中间还包括了自身电离层、高层大气，以及整个星球与太阳风之间在发生相互作用之后所带来的影响。但是，火星上普遍存在的极光现象，本就是火星大气工作中的重要部分，而该现象发生的强度和速度则都会对星球上水分的流失带来重要影响。

为何需要研究火星上水资源流失的方式？

火星上水资源的分布，一直都是人类最为关注的话题之一，因为，这不仅是行星演化相关的重要研究。而且，倘若我们要在之后的某一天去火星上生活，那么，水资源便是我们迫在眉睫需要解决的问题。当我们对火星水资源的流失方式、以及现存体量的分布情况有了更清晰的数据分析，便更有利之后火星任务的计划和实施。

图像中示意的是水冰在火星地下的分布情况，而位于最上方的区域深度不超过30厘米。

虽然，现在的火星已经在地表观测不到流动的液态水，但在行星表面之下则埋藏着一些冻结的水冰。并且，它们中的一部分甚至距离地面只有30厘米左右的深度。这也就从另一方面代表着，要开采出火星上剩余的这些水资源，其中的一部分并不涉及到多么先进的设备，只要求我们生活中偶尔会用到的铲子即可实现。

尽管很多人都觉得温暖而充满阳光的地区更适合航天器着陆，但是，反而事实上是分布大量水冰的区域能更少地减少对航天器的伤害。当我们对火星流失水分的所有方式都有所了解，更对火星剩余的水资源了如指掌。那么，我们就知道这颗星球的水资源能得到多大的利用，以及它未来是否可能成为一颗适合生命居住的星球。