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大手筆!美國宇航局利用超級計算機模擬火星上的天氣!


萬物科學我們知道火星的大氣和地球的大氣大不相同。它的二氧化碳含量超過%,只含有微量的氧氣和水蒸氣。但是這些微量的水蒸氣仍然在氣候中扮演著重要...

- 2019年12月06日15時36分
- 科學文摘 / 萬物科學

萬物科學

我們知道火星的大氣和地球的大氣大不相同。它的二氧化碳含量超過95%,只含有微量的氧氣和水蒸氣。但是這些微量的水蒸氣仍然在氣候中扮演著重要的角色。

美國宇航局NASA對火星的大氣、天氣和氣候非常感興趣。因為對火星了解得越多,就越能順利地執行探索火星計劃任務,了解現在的火星可以幫助我們了解太陽系的歷史,比如行星是如何進化的,以及火星在古代的氣候是什麼樣的。

NASA有一個專門研究火星氣候的團隊。它叫做火星氣候模擬中心。他們的工作集中在火星大氣的三個關鍵組成部分:水蒸氣、二氧化碳和塵埃。在下面史無前例的模擬中,科學家發現火星的水冰雲在一天中形成和消散的過程。


這個模擬顯示了火星上雲運行超過1天的生命周期。火星上的雲比地球上的雲要薄得多。但它們的行為相似。上面的模擬顯示了北半球的一個夏日過程。雲層在夜間形成於赤道上空,在日出之前最厚。當白天太陽溫暖大氣時,它們消散,然後在黃昏時又開始形成,如此反覆。

來自火星氣候模擬中心的模擬顯示,儘管火星雲層比地球雲層更薄,但它們在火星的風系統中扮演著重要的角色。這意味著它們也有助於塑造水在地球上的流動。氣候模型中心使用強大的超級計算機創建出了這些模擬。由於行星大氣極其複雜,需要強大的計算機和複雜的模型才能理解。在建模中心,科學家們的大部分工作依賴於通用循環模型(GCM)。

火星的北極冰帽,由美國宇航局的火星全球勘測者拍攝。一些研究人員得出結論,如果融化,極地冰蓋將產生足夠的水覆蓋火星1.5米的水。該中心的工作重點之一是了解火星上現在的水循環。我們希望確定觀察到的水循環是否僅僅是與北方殘餘冰帽交換的結果,或者是否需要其他來源,如活躍的風化層。目前,他們正在模擬火星,把火星北極冰帽作為唯一的水源。他們的模擬給出了良好的結果,但仍然存在一些問題。

該模型中心還試圖了解古代火星,以及數十億年前的溫暖、潮濕的環境是如何形成的,當時太陽還很弱。一種可能性是,火星上的二氧化碳大氣層要厚得多,因而能吸收更多的熱量。另一種可能性涉及影響造成的氣候變化。

影響產生的氣候變化是火星早期溫暖潮濕環境的一個可能原因。中心的另一個焦點是火星塵埃。很明顯,塵埃在火星上扮演著重要的角色,但人們對它的了解並不多。而火星周期性地被持續數月的全球沙塵暴所籠罩。了解這些風暴對於成功地執行到地球的任務是必要的。美國國家航空航天局(NASA)事先就知道洞察號著陸器將在一場沙塵暴接近尾聲時抵達火星,於是他們做了相應的準備。多虧了氣候模型,NASA知道在沙塵暴期間,上層大氣升溫,而下層大氣降溫。



當然,氣候模型中心只是NASA使用超級計算機的一種方式。在丹佛舉行的國際超級計算大會上,NASA展示了38個計算項目,包括他們的電動X-57飛機,對早期星系如何與周圍氣體共同進化的模擬,以及對撒哈拉以南非洲的樹木進行測繪和量化的努力。


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