火星极地冰盖并非生来平等

几个世纪以来，人们一直在观察明亮的火星两极的变幻，但直到最近50年，科学家才发现，火星两极主要是由二氧化碳组成，二氧化碳随着季节的节律在大气中循环往复。但这一切究竟是如何发生的，是一个复杂的行星过程相互作用，科学家们正在不断梳理这一过程。

PSI高级科学家CandiceHansen领导了一篇在《伊卡洛斯》上发表的新论文，该论文将数十年的过去研究与火星勘测轨道器上的高分辨率成像实验(HiRISE)仪器收集的最新观测结果结合在一起，以比较火星两极在季节性吸收和释放二氧化碳方面的差异。

“每个人都知道二氧化碳与两极的相互作用存在差异，但有多少人知道其中的原因?”汉森说。“这正是我想要描述的。幸运的是，我有一群非常有才华的合著者，他们愿意补充自己的观点。”

其目标是阐明塑造火星表面以及火星整体气候的过程——因为火星在火星年中循环大约四分之一的大气层。

与地球一样，火星的自转倾角约为25度，因此会经历四季，但火星绕太阳运行的路径比地球更长，也更加椭圆(科学家称之为偏心)。

如果火星绕太阳的轨道是一个完美的圆形，那么它的所有季节都会同样长。但由于火星的偏心率，南半球的秋季和冬季(与北半球的春季和夏季同时)距离太阳最远，这意味着这两个半球的季节是地球上最长的。火星的南半球也比北半球高得多。

“因此，最终，南半球的秋季和冬季会带来最寒冷和最低的气压，”因为大气中的大部分被冻结成干冰，汉森说。“这是导致南北半球二氧化碳季节性变化差异的主要因素。”

火星南极地区的蜘蛛形生物，二氧化碳从季节性盖帽下逸出。图片来源：Hansen等人

相比之下，火星的北半球冬季不仅比南半球短，而且恰逢沙尘暴季节。因此，北极季节性冰盖中的尘埃浓度高于南极冰盖，导致冰层不那么坚固。

“它们不是对称的季节，”汉森说。

论文指出，南北极地形的差异也会影响二氧化碳冰和气体对地貌的塑造。例如，在南半球，黑色尘埃扇遍布整个地貌。

汉森说：“南半球秋季会形成一层二氧化碳冰层，冬季会变厚，变得半透明。然后到了春天，太阳升起，阳光穿透这层冰层到达底部，使下面的地面变暖。”

然后，温暖的地面将二氧化碳冰变成气体，这一过程称为升华。

“现在，气体被困在压力之下，”汉森说。“它会寻找冰层中的任何薄弱点，然后像香槟酒瓶塞一样破裂。”

火星北极的蜘蛛形活动(右)和说明该过程的图表(左)。图片来源：Hansen等人。

一旦找到薄弱点，冰层就会破裂​​，气体会冲向破裂处，沿途雕刻地表，形成遍布整个地貌的沟渠网络。这些沟渠因其外观类似蜘蛛而被称为蜘蛛状。

一旦气体突破冰层，就会将黑色尘埃吹入大气。

汉森说：“事实证明，气象因素在这张照片中也非常重要，因为从那里，灰尘会被任何风吹走，并落成扇形沉积物。”

地球物理学家休·基弗(HughKieffer)于2006年描述了这一过程。几年后，汉森提出了自己的北极冰盖模型，该模型也显示了春季的扇形冰盖。

她发现同样的现象也发生在北方，不过这些过程不是发生在相对平坦的地形上，而是发生在沙丘上。

“当太阳升起并开始使冰层底部升华时，会出现三个薄弱点——一个在沙丘顶部，一个在沙丘底部，在那里冰层与地面接触，然后冰层本身会沿着斜坡开裂，”汉森说。“在北部没有发现蜘蛛状地形，因为虽然出现了浅沟，但风会将沙丘上的沙子吹平。”

作为HiRISE成像团队的一员，汉森看到了火星表面数年、数月甚至数天内的变化。

“我的大多数同事都在研究35亿年前火星上发生的变化，但我谈论的是上个月发生的事情，”汉森说。“火星今天很活跃。”

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