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(guó)科學(xué)院大氣物理研究所(大氣所)獲悉，該所科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出新一代火星大氣環(huán)流模式(GoMars)，基於該模式，近日成功實(shí)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，並通過有效評(píng)估GoMars的模擬性能，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的火星天氣預(yù)報(bào)與氣候預(yù)測(cè)奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)?！?/p>
這項(xiàng)火星大氣模式研發(fā)及模擬研究的重要進(jìn)展，由中國(guó)科學(xué)院大氣所研究員王斌、正高級(jí)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(jìn)展》(AAS)發(fā)表。
為何研發(fā)火星大氣環(huán)流模式
科研團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，作為一顆與地球最為相似的太陽(yáng)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(qiáng)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(chǎng)突如其來(lái)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(jī)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(shí)，更在其長(zhǎng)期氣候演化中扮演著核心角色。其中，火星上隨機(jī)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(dòng)力。
儘管火星是人類迄今觀測(cè)數(shù)據(jù)最豐富的地外行星，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)在時(shí)間連續(xù)性、空間覆蓋度和時(shí)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，它基於火星大氣物理理論構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，依託超級(jí)計(jì)算機(jī)求解複雜的控制方程組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火星氣候系統(tǒng)的全面模擬與預(yù)測(cè)。
隨著「天問」系列任務(wù)的成功實(shí)施與穩(wěn)步籌備，中國(guó)火星探測(cè)已邁入全新階段，對(duì)火星大氣環(huán)境尤其是對(duì)沙塵循環(huán)的認(rèn)知需求日益迫切。為填補(bǔ)中國(guó)在火星數(shù)值模擬領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的自主模式空白，首個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的火星大氣環(huán)流模式應(yīng)運(yùn)而生。
如何系統(tǒng)模擬火星沙塵循環(huán)
在本項(xiàng)研究中，科研團(tuán)隊(duì)基於中國(guó)研發(fā)的新一代火星大氣環(huán)流模式，對(duì)火星沙塵循環(huán)開展系統(tǒng)性模擬研究，重點(diǎn)展示沙塵循環(huán)的多時(shí)間尺度變率，並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(diǎn)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，並結(jié)合對(duì)地表起沙通量的合理約束，完成長(zhǎng)達(dá)50個(gè)火星年(1個(gè)火星年約合2個(gè)地球年)的沙塵循環(huán)模擬，系統(tǒng)探究其多時(shí)間尺度變率特徵。其中，GoMars完整模擬出火星沙塵在大氣中的運(yùn)動(dòng)過程，包括塵捲風(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(jì)算流程。中國(guó)科學(xué)院大氣所 供圖
對(duì)火星沙塵循環(huán)的模擬方面，研究發(fā)現(xiàn)，GoMars在多個(gè)關(guān)鍵方面再現(xiàn)出沙塵循環(huán)的日循環(huán)、季節(jié)變化和年際變率特徵。在非全球性沙塵暴年份中，沙塵的日變化與季節(jié)變化具有顯著的重複性。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(qiáng)度，結(jié)果經(jīng)火星氣候分析數(shù)據(jù)集與「火星氣候探測(cè)儀」觀測(cè)資料的驗(yàn)證一致。
在缺乏直接觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，研究進(jìn)一步將GoMars模擬的近地表風(fēng)應(yīng)力起沙通量與國(guó)際上先進(jìn)的MarsWRF等火星大氣環(huán)流模式進(jìn)行對(duì)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模擬的塵捲風(fēng)起沙通量峰值出現(xiàn)在火星當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00至13:00之間，與「火星探路者」火星車的實(shí)測(cè)記錄相符。此外，GoMars準(zhǔn)確模擬出火星亞馬遜地區(qū)作為塵捲風(fēng)活動(dòng)熱點(diǎn)的強(qiáng)烈起沙現(xiàn)象，與觀測(cè)識(shí)別結(jié)果一致。
科研團(tuán)隊(duì)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(shí)間、位置及沙塵傳輸路徑，並與特定火星年的實(shí)際觀測(cè)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(lái)進(jìn)一步研究有何計(jì)劃
中國(guó)科學(xué)院大氣所科研團(tuán)隊(duì)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(jì)劃引入更貼近實(shí)際觀測(cè)的動(dòng)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(jī)制。
同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。
團(tuán)隊(duì)的最終目的是將GoMars構(gòu)建為具備火星天氣預(yù)報(bào)能力的系統(tǒng)，利用未來(lái)「天問三號(hào)」的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)火星天氣預(yù)報(bào)。（中新社記者 孫自法)
頂圖：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(jī)制的示意圖。中國(guó)科學(xué)院大氣所 供圖
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