火星是迄今為止人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的與地球最相似的類(lèi)地行星，兩者氣候的比較研究對(duì)于我們了解地球大氣的演化有重要意義；而氣候變化也直接關(guān)系到火星上水是否存在的問(wèn)題，所以火星大氣的研究對(duì)于地外生命和宜居性的探索有重要作用。
作為沙漠星球，火星地表和大氣中的沙塵及沙循環(huán)是火星氣候系統(tǒng)中極為重要的一環(huán)，其重要程度類(lèi)似于地球海洋及水循環(huán)。近年來(lái)最新的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，火星大氣中的重要揮發(fā)物（如H2O和HDO等）在大型沙塵暴天氣下存在由深對(duì)流主導(dǎo)的快速抬升現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以在幾個(gè)火星天內(nèi)將對(duì)流層的水汽抬升至上百公里的高度。這些新發(fā)現(xiàn)表明火星大氣中短周期的動(dòng)力學(xué)過(guò)程尤為重要，然而目前科研工作者對(duì)火星沙塵的研究還主要集中于氣候尺度演化，對(duì)于火星上頻發(fā)的沙塵暴等極端天氣主導(dǎo)的短周期過(guò)程了解甚少。
近日，我校大氣科學(xué)學(xué)院行星環(huán)境與宜居性研究實(shí)驗(yàn)室崔峻教授團(tuán)隊(duì)的博士后吳兆朋、李靜與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的李陶教授、美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校的張曦教授合作，在國(guó)際知名期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Dust Tides and Rapid Meridional Motions in the Martian Atmosphere During Major Dust Storms”的學(xué)術(shù)論文，揭示了火星沙塵暴期間存在的劇烈沙塵潮汐現(xiàn)象，并提出了沙塵暴期間大氣H逃逸的短周期輸運(yùn)新機(jī)制。
圖1. 火星大型沙塵暴期間劇烈的沙塵周日變化
圖2. 火星南半球大氣潮汐風(fēng)（箭頭）主導(dǎo)的沙塵周日經(jīng)向運(yùn)動(dòng)（a，b），紅色星號(hào)代表太陽(yáng)位置，
LT代表地方時(shí)；火星南半球夏季非沙塵暴期間（c）和沙塵暴期間
（d）的火星大氣風(fēng)場(chǎng)（箭頭）及其主導(dǎo)的水汽周日經(jīng)向運(yùn)動(dòng)。
該論文利用美國(guó)宇航局火星勘測(cè)軌道飛行器的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)近7個(gè)火星年中發(fā)生的尺度在數(shù)千公里乃至覆蓋全球的大型沙塵暴進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)火星南半球高緯對(duì)流層上部的沙塵普遍存在著強(qiáng)烈的周日變化（圖1），進(jìn)一步的觀(guān)測(cè)表明這種現(xiàn)象來(lái)自于南半球沙塵大范圍的周日經(jīng)向運(yùn)動(dòng)。而沙塵的物理狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，是大氣風(fēng)場(chǎng)的最好示蹤物，所以由沙塵的運(yùn)動(dòng)可以反推火星上難以觀(guān)測(cè)的大氣風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。利用這些觀(guān)測(cè)結(jié)果以及大氣潮汐理論模型，該研究發(fā)現(xiàn)火星南半球沙塵暴期間存在著強(qiáng)烈的周日潮汐風(fēng)場(chǎng)，而正是周日潮汐的經(jīng)向風(fēng)主導(dǎo)了沙塵潮汐現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明火星大氣在沙塵暴期間存在快速的經(jīng)向運(yùn)動(dòng)，結(jié)合火星大氣環(huán)流數(shù)值模型進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，潮汐風(fēng)可以將夏季火星極區(qū)冰蓋附近豐富的水汽快速輸送至中低緯（圖2）。這些水汽可以在中低緯地區(qū)日間深對(duì)流的作用下被抬升至中高層大氣，在太陽(yáng)紫外輻射的作用下產(chǎn)生大量的H，從而增加了火星大氣H的逃逸。另一方面，該現(xiàn)象表明在火星上存在著有別于地球大氣的經(jīng)向物質(zhì)交換機(jī)制。地球中-高緯之間的大氣熱量與物質(zhì)交換強(qiáng)烈地依賴(lài)羅斯貝波的主導(dǎo)作用。雖然大氣熱力潮汐也是地球上早已熟知的大氣波動(dòng)，但對(duì)中低層大氣作用較小，且主要局限于熱帶地區(qū)。然而，火星稀薄的大氣可以顯著增強(qiáng)熱力潮汐的作用，該研究提出的潮汐風(fēng)在火星大氣水平運(yùn)動(dòng)中的重要作用，使人們對(duì)行星大氣中-高緯之間的物質(zhì)交換有了新的認(rèn)識(shí)。
我校大氣科學(xué)學(xué)院博士后吳兆朋為該論文第一作者，大氣科學(xué)學(xué)院為第一作者單位，吳兆朋與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李陶教授為共同通訊作者。該研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）、國(guó)防科工局民用航天技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目等的支持。
