Dependence of the Martian radiation environment on atmospheric depth: Modeling and measurement
火星表面的高能粒子环境受到太阳和日光层调制以及当地大气压力（或柱深度）变化的影响。火星科学实验室探测器Currency上的辐射评估探测器（RAD）在火星表面已经测量了四个地球年（大约两个火星年）的影响。Rafkin等人（2014）研究了记录的表面银河宇宙射线诱导剂量率与压力变化之间的关系，Guo等人（2015）也对长期太阳调制进行了经验分析和建模。本文采用最新更新的HZETRN2015程序模拟了火星大气屏蔽对累积剂量率的影响，以及在不同太阳调制和大气条件下这种影响的变化。模拟结果与RAD仪器在火星表面的最新观测（2012年8月14日至2016年6月29日）进行了比较。这两个模型和测量结果吻合得相当好，并显示在弱太阳调制条件下的大气屏蔽效应和太阳调制变得更强，这种效果的下降。这一结果对于更好地估计未来人类在不同日光层和火星大气条件下对火星进行探索的风险具有重要意义。
2017-12-19 astro-ph.EP
Investigating the biological potential of galactic cosmic ray-induced radiation-driven chemical disequilibrium in the Martian subsurface environment
越来越多的证据表明古代火星上存在水环境，这引发了在这样的环境中存在生命的可能性的问题。随后，随着火星大气层的侵蚀导致气候急剧变化，地表水消失，地球上的可居住空间缩小，只有少量的水以盐水和水冰沉积物的形式留在地表附近。生命，如果曾经存在过，将不得不适应严酷的现代条件，包括低温和表面压力，以及高辐射剂量。目前，没有证据表明地球表面有任何生物活动，然而，尚未被探索的地下环境不那么严酷，有水冰和盐水形式的水的痕迹，并经历辐射驱动的氧化还原化学。我假设，银河宇宙射线（GCR）-感应辐射-驱动的化学不平衡可以用于代谢能量的现存的生命，和宿主生物体使用类似的化学和辐射环境中看到的机制在地球上。我提出了一个GCR引起的辐解区，并讨论了罗莎琳德富兰克林探测器的ExoMars任务找到这样的生命的前景。
2020-06-15 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.space-ph
The pivot energy of Solar Energetic Particles Affecting the Martian surface radiation environment
空间辐射是人类面临的一个主要风险，特别是在太空的长期飞行任务中，载人火星任务银河宇宙射线（GCR）提供了一个可预测的辐射背景，主要的风险是由于高度可变的和目前不可预测的太阳高能粒子（SEP）的流量。这种零星的SEP事件可能会引起急性健康影响，因此被认为是未来人类火星探索的关键任务风险。因此，研究、模拟和预测这类事件发生时的地面辐射环境是非常重要的。深空SEP微分能谱在高能时通常服从幂律分布。我们使用测量验证的粒子输运代码表明，对于大SEP事件与质子能量超过500兆电子伏的幂律分布，它是足够的测量SEP通量在枢轴能量为300兆电子伏以上的火星大气预测的剂量率在火星表面。结合从火星表面进行的现场测量验证，这种显着的简化和优雅的量化可以在大型SEP事件发生时对火星表面的辐射环境进行即时预测。
2020-03-14 astro-ph.EP astro-ph.HE
Cooling of the Martian thermosphere by CO$_2$ radiation and gravity waves: An intercomparison study with two general circulation models
观测结果表明，火星的低热层（$\sim$ 100- 140公里）比目前的大气环流模式所能再现的温度低40 K。模型中缺少的物理过程的可能候选者是更大丰度的原子氧，促进更强的CO $_2$辐射冷却，以及重力波的热效应。使用两个国家的最先进的火星大气环流模型，气象动力学和马克斯普朗克研究所的模型，自洽覆盖从表面到热层的大气，这些物理机制进行了研究。模拟结果表明，CO $_2$辐射冷却与足够大的原子氧丰度，和重力波引起的冷却可以单独导致高达40 K的低温在较低的热层温度。考虑到这两种机制，在高纬度地区产生了更强的冷却作用。然而，辐射冷却效应在中层顶以上达到峰值，而重力波冷却速率则随高度不断增加。尽管这两种机制同时作用，但这些特点可能有助于根据未来的观察进一步量化它们的相对贡献。
2015-04-21 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Solar wind-driven day-to-day effects on the Martian thermosphere/exosphere composition
自1976年海盗号着陆器飞行任务对高层大气密度和组成的高度分布进行首次\emph{in-situ}测量以来，自2014年9月以来，MAVEN和MAVEN航天器利用质谱仪和其他相关有效载荷不断收集类似数据。使用两个轨道器几乎同时进行的观测，我们表明，两个数据集都证实了2018年6月1日至15日期间火星热层/外逸层中氩气（$Ar$）密度分布的显著逐日变化，当时太阳EUV辐射没有显示出任何明显的变化。我们扩展这项研究，包括母大气成分（$CO_{2}$，$Ar$，$He$，$N_{2}$）和光化学产品（$O$，$CO$）检查的效果太阳风等离子体（$e/H^{+}$）的速度和通量在上述时间间隔。由于2018年6月第一周额外的电子撞击解离和电离，这些成分的密度分布显示出显著的影响，这些影响在下周消退，恢复正常条件。这些第一次的结果解释的基础上，一些相关的中性和离子的化学反应。这一结果提供了一个重要的投入，未来的建模工作的火星热层/外逸层组成的研究和太阳EUV相关的变化，由于施瓦贝循环。
2021-03-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Assessment of the probability of microbial contamination for sample return from Martian moons II: The fate of microbes on Martian moons
本文介绍了一个火星-卫星系统中微生物运输的案例研究。我们通过一项同伴研究（Fujita等人），使用撞击物理学研究了火星卫星上潜在撞击运输微生物的空间分布。我们使用了之前研究的灭菌数据。我们认为微生物主要来自火星上的祖尼尔陨石坑。我们发现，70-80%的微生物很可能分散在月球表面，除了流星体产生的厚厚的喷出物沉积物中的微生物外，由于辐射而迅速灭菌。另外20-30%可能被火星岩石撞击产生的陨石坑中坍塌层形成的厚风化层屏蔽了辐射。在厚厚的喷出物沉积物中可能存活的微生物总数估计比火星陨石坑低3-4个数量级。由于辐射灭菌，微生物浓度在水平方向上是不规则的，并且在很大程度上依赖于深度。在火卫一和火卫二上，被运输的微生物的存活率分别只有1 ppm和100 ppm，这表明运输过程和辐射严重影响了微生物的存活。对火星卫星微生物采样概率进行了研究。我们建议，从火星卫星的样品返回任务被归类为30 g样品和10 cm深度采样的无限制地球返回任务，即使在我们保守的情况下。我们还进行了全面的统计分析，包括采样概率的输入参数的不确定性的影响，采样的火卫一的风化层。返回样品最有可能受到微生物污染的概率估计比空间研究委员会（空间研委会）行星保护政策所确定的标准低两个数量级。
2019-07-17 astro-ph.EP
Giga-Year Dynamical Evolution of Particles Around Mars
火星周围可能存在各种大小的粒子。大粒子的轨道主要由火星引力控制，而小粒子的轨道则可能受到非引力的显著影响。许多以前的火星周围粒子动力学研究都集中在相对较小的粒子（半径为$r_{\rm p} \lesssim 100 \, μm$）上$\lesssim 10^{4}$年。本文采用直接数值轨道积分和解析方法，考虑火星引力、火星$J_{2}$、太阳辐射压（SRP）和坡印廷-罗伯逊（PR）力，研究了火星赤道面附近轨道半径从微米到米的粒子的千兆年动力学演化。我们还新研究了行星阴影对粒子动力学的影响。我们的研究结果表明，小粒子（$r_{\rm p} \lesssim 10 \, μm$）最初在$\lesssim 8$火星半径（低于今天的火卫二的轨道）被迅速删除的SRP由于偏心率增加，导致在近心距离与火星碰撞。较大粒子（$r_{\rm p} > 10 \, μm$）的轨道由于PR力而缓慢衰减（时间尺度为$> 10^{4}$年）。行星阴影减少了轨道上的阳光照射面积，从而降低了PR阻力的效率。然而，我们表明，即使包括行星阴影，粒子高达$\sim 10$厘米半径，最初在$\lesssim 8$火星半径，最终螺旋到火星表面在$\sim 10^{9}$年。较小的粒子到达火星所需的时间较短，反之亦然。我们的研究结果将是重要的，以更好地理解和约束火星周围的剩余粒子的性质在火卫一和火卫二形成的巨大影响假说的背景…
2022-11-01 astro-ph.EP
Global Climate Modeling of the Martian water cycle with improved microphysics and radiatively active water ice clouds
水冰云的辐射效应对火星大气层、热结构和环流有显著的影响。因此，在LMD火星全球气候模型（GCM）中纳入这些影响极大地修改了模拟的火星水循环。本文的目的是解决辐射活跃的云对大气水蒸气和冰的影响，在GCM和提高其代表性。我们提出了一个新的增强模型的水循环，包括详细的云微物理与动态凝结核和更好地实现常年地表水冰。该物理建模基于可调参数。这个新版本的GCM相比，热发射光谱仪观测的水循环。对水汽和云的不透明度都得到了满意的结果。然而，模拟结果表明，在Ls=180°之后，热带地区缺乏水蒸气，这与观测结果相比在模拟中持续存在，这是远日点云辐射效应加强Hadley环流的结果。每年，我们的GCM模拟表明，北极冰帽上的永久性地表水冰在高于80°N的纬度增加，在低纬度减少。根据SPICAM的观测结果，预测了湿层顶以上的过饱和。该模型还首次表明，水冰云单独清除灰尘无法完全解释观测到的灰尘分离层。
2014-07-28 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The Impact of Solar Radiation on the Martian Upper Atmosphere
本研究利用MAVEN和MOM的近同步数据，分析2018年6月火星150-300公里高度大气组分密度变化，结合光化学平衡揭示太阳辐射与太阳风对火星高层大气的调控机制。
2024-09-13 astro-ph.EP physics.space-ph
Enabling martian habitability with silica aerogel via the solid-state greenhouse effect
今天火星表面的低温和高紫外线辐射水平目前排除了生命在任何地方的生存，除非是在有限的地下壁龛中。以前已经提出了几个使火星表面更适合居住的想法，但它们都涉及大规模的环境改造，在可预见的未来将远远超出人类的能力。在这里，我们提出了一个新的方法来解决这个问题。我们表明，火星表面的广泛地区可以通过固态模拟地球大气温室效应，在未来适合光合作用生命的居住。具体来说，我们通过实验和建模证明，在火星环境条件下，2至3厘米厚的二氧化硅（SiO2）气凝胶层将同时传输足够的可见光进行光合作用，阻挡有害的紫外线辐射，并将温度永久升高到水的熔点以上，而不需要任何内部热源。因此，在火星表面足够多冰的区域放置二氧化硅气凝胶保护层，可以使光合作用生命在那里生存，而随后的干预最小。这种使火星适宜居住的区域性方法比全球大气改造更容易实现。此外，它可以从最少的资源开始系统地开发，并可以在当今地球上的极端环境中进行进一步测试。
2019-07-22 astro-ph.EP
Unveiling neutron and gamma spectrum at Martian surface in presence and absence of hydrogen: A computational study based on GEANT4 simulations
SRM University-AP（SRM大学-安得拉邦分校）
该研究基于GEANT4模拟，通过用质子束照射火星大气，体素化风化层，放置表面探测器等步骤，揭示氢对火星表面中子和伽马能谱的影响，发现风化层是主要辐射源，且反照率中子各能段能观测到氢，质子输运等对氢不敏感。
2026-07-29 astro-ph.EP physics.ins-det physics.space-ph
Unstructured Grid Dynamical Modeling of Planetary Atmospheres using planetMPAS: The Influence of the Rigid Lid, Computational Efficiency, and Examples of Martian and Jovian Application
我们提出了一个新的行星全球环流模式，planetMPAS，最先进的NCAR MPAS大气环流模式的基础上。利用WRF和MPAS的交叉兼容性，planetMPAS包含了大部分用于火星和泰坦等类地行星的planetWRF物理参数化方案。PlanetMPAS还包括一套物理学，代表木星大气的辐射转移，干对流，湿对流及其相关的微观物理学。我们证明，尽管刚性盖近似，planetMPAS是适合模拟火星和木星大气中的气候系统与潜在的应用程序，如土卫六缓慢旋转的行星。使用planetMPAS进行的模拟表明，新模型可以再现火星和木星上观测到的许多特征，例如火星上的季节性CO2循环、极地氩富集、纬向平均温度和定性尘埃不透明度，以及木星上的赤道超旋转和带状纬向风模式。
2022-10-31 astro-ph.EP
A Two Martian Years Survey of Water Ice Clouds on Mars with ACS onboard TGO
自2018年3月以来，ExoMars痕量气体轨道器（TGO）ESA-Roscoplant任务机载大气化学套件（ACS）仪器的中红外（MIR）通道在2.3-4.2 $μ$ m光谱范围内对火星大气进行了太阳掩星测量，现在覆盖了两个火星年（MY）。我们使用先前为研究MY 34全球沙尘暴（GDS）而开发的方法（Stcherbinine等人，2020年），以监测ACS-MIR覆盖的前两个火星年的火星水冰云的特性（有效半径，消光，高度）。观察结果包括MY 34的$L_s$ = 163°至MY 36的$L_s$ = 181°。我们确定，典型的云的高度变化由20至40公里之间的夏季和冬季，夏季在中纬度地区的最大延伸可达80公里。同样，我们还注意到，在有限的时间范围内，极地和中纬度地区的云层高度也有20至40公里的变化。我们还将MY 34 GDS期间获得的观测结果与MY 35同期的观测结果进行了比较，使用后者作为参考来描述GDS对云属性的影响。此外，我们将我们的检索结果与火星行星气候模型（PCM）的预测进行了比较，该模型显示了云层高度的总体合理一致性，尽管该模型通常预测云层顶部的高度较低。
2023-01-12 astro-ph.EP
Diurnal variation of the surface temperature of Mars with the Emirates Mars Mission: A comparison with Curiosity and Perseverance rover measurements
阿联酋火星飞行任务“希望”号上搭载的阿联酋火星红外光谱仪首次向我们提供了火星在当地所有时间的温度测量数据，覆盖了火星的大部分地区。因此，现在有可能将轨道上的地面温度测量值与漫游车在同一时间段内从地面测量的温度进行比较。我们使用了火星科学实验室（MSL）“Curvature”火星车上的火星环境监测站（REMS）套件和火星2020“Perseverance”火星车上的火星环境动力学分析仪（MEDA）套件在2021年6月至8月期间的昼夜温度变化数据，并将其与EMIRS观测和火星气候数据库（MCD）模型的估计进行了比较。我们表明，尽管温度变化的总体趋势在各个任务中非常一致，但与火星2020相比，EMIRS测量值在夜间系统性地较低。与漫游车相比，EMIRS的空间分辨率较低，因此在这种特定情况下观察区域的平均热惯性较低，这是造成这种差异的主要原因之一。我们讨论了这些结果的影响，以提高我们对火星气候的理解，这将导致更好地模拟当地的天气预测，对未来的机器人和载人任务有用。
2022-08-11 astro-ph.EP physics.space-ph
Modelling the long-term impacts of artificial warming on the Martian water cycle and surface ice distribution
Astera Institute（阿斯特拉研究所）；University of Chicago（芝加哥大学）；Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）
研究通过模型分析人工升温对火星水循环和冰分布的影响，指出升温后大气水蒸气增加，云反馈效应导致温度变化，但需更多数据支持可行性。
2026-03-02 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Measurements of Martian Dust Devil Winds with HiRISE
我们报告风测量在平面图中观察到的火星尘暴从高分辨率成像科学实验（HiRISE）绕火星。HiRISE仪器的中央彩色条带有三个独立的电荷耦合器件（CCD）和彩色滤光片，可以快速观察表面。当通过仪器的这个区域观察时，活跃的特征，如尘暴，出现在运动中。我们的图像动画揭示了尘卷风内部清晰的循环运动，这与它们在火星表面的平移运动是分开的。对尘暴云的手动和自动跟踪都显示，在某些情况下，切向风接近20-30米/秒。这些风足以导致尘暴核心内的大气压力相对于环境降低约1%，通过降低颗粒升高的阈值风速促进灰尘提升。最后，径向速度分布构造从我们的自动测量测试的兰金涡模型的尘暴结构。我们的配置文件成功地揭示了固体旋转组件在内部，但未能最终照亮的轮廓在外部地区的旋涡。一个剖面图提供了速度随r^-1/2而不是r^-1减小的证据，表明存在表面摩擦效应。然而，其他配置文件不支持这一观察，或不包含足够的测量产生有意义的见解。
2013-01-25 astro-ph.EP
How Martian araneiforms get their shapes: morphological analysis and diffusion-limited aggregation model for polar surface erosion
Araneiforms是具有分形特性的分支槽的径向会聚系统。它们只在火星的南极地区被发现，并被认为是多次重复的冷二氧化碳气体喷流喷发的结果。超压气体在季节性冰层下冲向一个新形成的开口，从而形成了蜘蛛状的槽。目前的工作是试图定量分析araneiforms模式和模拟其形成机制。大多数蜘蛛形目动物的树枝状特征暗示它们可以用通常适用于陆地河流的术语来描述。我们已经适应，并首次适用于火星araneiforms定性形态分析通常用于陆地河流。我们已经表明，大型和发达的araneiforms（与支流订单大于4）密切遵循霍顿定律的支流订单，并有分歧的比例，以及陆地河流的范围内。我们已经实现了一个二维的扩散限制聚集（DLA）模型，描述了数学概率手段形成的枝晶形状。我们比较了在火星极地地区观察到的araneiform的形状，并使用araneiforms的形态分析评估其相似性建模树突形状。我们表明，DLA模型可以成功地重建不同观察到的蜘蛛的2D形状。用DLA模拟蜘蛛状图案的形成，可以更好地理解形成它们的季节性过程。
2019-03-27 astro-ph.EP
A systematic study of hot O production and escape from Martian atmosphere in response to enhanced EUV Irradiance from Solar Flares
本研究基于2017年9月10日太阳耀斑，系统分析了增强的极紫外辐射对火星热氧产生与逃逸的影响，发现逃逸通量随耀斑强度先增后减，且能量耗散过程在长时间尺度上对逃逸率有显著作用。
2025-06-25 astro-ph.EP astro-ph.SR
Diurnal temperature variations and migrating thermal tides in the Martian lower atmosphere observed by the Emirates Mars InfraRed Spectrometer
本研究利用EMIRS覆盖一个完整火星年的温度廓线，揭示火星低层大气日温变化及全日、半日和三分之一日热潮汐的季节与纬度特征，并评估PCM第6版模拟改进。
2025-10-21 astro-ph.EP
3D modelling of the early Martian Climate under a denser CO2 atmosphere: Temperatures and CO2 ice clouds
根据地质证据，人们常说，由于厚厚的大气层的温室效应，早期火星的气候温暖到足以让液态水在表面流动。我们提出了早期火星气候的三维全球气候模拟，假设一个微弱的年轻太阳和二氧化碳大气压力在0.1和7巴之间。该模型包括一个详细的辐射转移模型，使用修订后的CO2气体碰撞引起的吸收特性，和CO2冰云微物理和辐射特性的参数化。通过使用不同的湿度值、轨道参数、云微尺度参数、大气尘埃负荷和表面特性，探索了各种可能的气候。与今天的火星不同，当压力高于一个巴的几分之一时，地面温度会随着高度的变化而变化，这是因为大气层垂直移动时会绝热冷却和加热。在大多数模拟中，CO2冰云覆盖了地球的大部分，但温室效应不超过+15 K。我们发现，二氧化碳大气不可能使地球上任何地方的年平均温度升高到0°C以上。大气崩溃成永久的二氧化碳冰帽预测压力高于3巴，或相反，如果湿度足够低，在压力低于1巴。夏季日平均地面温度高于0°C（这是一种可能形成河流的条件），在高纬度地区，但不是在大多数山谷网络观测的地方。在没有其他变暖机制的情况下，我们的气候模型结果因此与火星早期寒冷的情景相一致，其中必须发生非气候机制来解释液态水的证据。在华兹华斯等人的一篇配套论文中，我们模拟了这样一个星球上的水文循环。
2012-10-15 astro-ph.EP
Glycine's Radiolytic Destruction in Ices: First In-Situ Laboratory Measurements for Mars
我们报告了新的实验室研究辐射引起的破坏甘氨酸含冰的温度和成分范围内，允许外推到火星的条件。原位红外光谱被用来研究甘氨酸衰减率作为温度（从15至280 K）和初始甘氨酸浓度的函数在6个混合物，其组成范围从干甘氨酸到H $_2$ O +甘氨酸（300：1）。结果以几种单位制表示，并附有使用注意事项。甘氨酸在火星表面下的半衰期估计为这一数据集火星条件的外推，和衰减率的趋势被描述为是火星近表面化学的应用。
2015-02-09 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.chem-ph
Hydrocode modeling of the spallation process during hypervelocity impacts: Implications for the ejection of Martian meteorites
碰撞产生的超高速物质抛射被认为是两个行星体之间物质交换的一种可能机制。我们已经模拟了spectrometer过程中的垂直影响的影响速度从6到21公里/秒的范围内，使用网格和粒子为基础的水文模型。Tillotson状态方程能够处理强冲击物质中密度对压力和热压力的非线性依赖关系，用于研究撞击后的流体动力学和热力学响应。没有考虑材料强度和重力加速度的影响。在圆柱坐标系中研究了距离撞击点1.5倍弹丸半径内的二维时间相关压力场，以解决剥落材料的产生问题。还进行了分辨率测试，以拒绝由于人为粘度而具有过低峰值压力的喷射材料。导出了喷射速度veject与峰值压力Ppeak的关系。我们的方法表明，在喷出物幕后期加速发生由于喷出物的可压缩性，导致在喷射速度，可以高于理想的最大值的所得粒子速度后，通过冲击波。我们还计算了可以从像火星这样的行星上逃逸的喷出物质量（即，veject高于5公里/秒），这符合火星陨石的岩相学限制，并发生在Ppeak从30-50 GPa。虽然这种喷射物的质量被限制在垂直撞击中抛射体质量的0.1%-1%，但这足以使火星陨石的喷射成为一种合理的机制。最后，我们建议，影响spectrometry是一个合理的机制，为产生的玻璃陨石。
2017-09-02 astro-ph.EP
Impacting the dayside Martian ionosphere from above and below: Effects of the impact of CIRs and ICMEs close to aphelion (April 2021) and during dust storms (June-July 2022) seen with MAVEN ROSE
本研究利用MAVEN ROSE的62个电子密度剖面，分析了近日点附近及沙尘暴期间CIRs和ICMEs对火星日侧电离层的影响，发现太阳事件和沙尘活动共同导致TEC增加、峰值高度异常及热大气整体抬升等复杂效应。
2024-04-23 astro-ph.EP physics.space-ph
Aerosols and tides in the martian tropics during southern hemisphere spring equinox from Mars Climate Sounder data
我们分析了火星气候探测器在热带地区的温度和气溶胶数据，以研究大气潮汐及其与尘埃和水冰分布的关系。研究结果表明，在火星29-35年（MY 29-35）的南半球春分，在同一时间内，MY 29年出现了其他年份所没有的大幅度非迁移热潮。与其他年份相比，夜间温度最受干扰，在35-55公里高度处有强烈的逆温。对不同当地时间数据的分析表明，MY 29上午03：45的温度和水冰云与其他年份上午05：00的温度和水冰云更接近，这表明周日潮汐的相位向当地时间提前。这种相移，以及大幅度的非迁移热潮汐，似乎与早期的尘埃活动。在MY 29中，两次早期沙尘暴发生在热带地区的上升流附近，与哈德利环流有关，使沙尘能够被输送到更高的高度，在那里它具有更大的辐射影响。除了尘埃，水冰云也被发现影响潮汐结构。由于非迁移潮汐的相互作用，水冰云在夜间出现在两个离散的纵向区域。辐射冷却的增加导致云上下沉流的增加，导致绝热变暖的增加和逆温的加强。
2020-11-17 astro-ph.EP physics.ao-ph
MAIC-2, a latitudinal model for the Martian surface temperature, atmospheric water transport and surface glaciation
火星大气-冰耦合器MAIC-2是一个简单的纬向模型，它包括一套地面温度、大气水输送和水冰表面质量平衡（凝结减去蒸发）的参数化。它直接由近日点的轨道参数椭圆度、偏心率和太阳经度（Ls）驱动。地面温度由当地日照温度方案描述，该方案使用每日和纬度相关的辐射平衡。水的蒸发速率由自由对流的表达式计算，由水蒸气和环境空气之间的密度差驱动，冷凝速率由任何超过局部饱和压力的水蒸气立即冷凝的假设得出，并且水蒸气的大气传输近似于瞬时混合。忽略了冰沉积物的冰川流动。采用恒定轨道参数进行的模拟表明，低纬度有利于高纬度地区的冰沉积，反之亦然。在过去1000万年的轨道参数的计算历史驱动的一个瞬态的情况下，在最近的400万年产生基本上单调增长的极地冰存款，和一个非常好的协议与观察到的当今极地分层存款。厚厚的极地沉积物有时会继续形成延伸到中纬度的薄冰沉积物，这证实了高纬度地区“冰河时代”的想法。
2010-04-23 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Global modelling of the early Martian climate under a denser CO2 atmosphere: Water cycle and ice evolution
我们讨论了早期火星气候的3D全球模拟，我们假设一个微弱的年轻太阳和稠密的二氧化碳大气。我们包括一个自洽的水循环表示，大气-地面相互作用，大气传输，并考虑到CO2和H2O气体和云的辐射效应。我们发现，对于大气压力大于一个酒吧的一小部分，绝热冷却效应导致南部高原山谷网络地区的温度显着低于全球平均水平。长期气候演变模拟表明，在这种情况下，水冰从低洼地区被输送到高地，以获得广泛的轨道曲率，而不管塔尔西斯隆起的程度如何。此外，南极还形成了一个延伸的水冰帽，大致对应于诺亚纪/西方纪的Dorsa Cortea地层。即使对于多巴的CO2大气，条件也太冷，不允许长期的表面液态水。在某些地方，在温暖的夏季会发生有限的融化，但这只是在表面的热惯性和热惯性条件下，对水冰来说可能是不现实的。尽管如此，陨石撞击和火山活动可能会在这种条件下造成强烈的间歇性熔融。由于冰迁移到更高的海拔是一个强大的机制，为补给高原水源后，这样的事件，我们认为，这种全球零度以下，'冰冷的高地'的情况下，晚诺亚纪气候可能足以解释大部分的河流地质，而不需要调用额外的长期变暖机制或早期温暖，潮湿的火星。
2012-11-22 astro-ph.EP physics.geo-ph
A generalized approach to model the spectra and radiation dose rate of solar particle events on the surface of Mars
对于未来的人类火星任务，研究极端和升高条件下的表面辐射环境非常重要。从长远来看，火星表面的辐射主要来自太阳活动调制的银河宇宙射线（GCR），但强烈的太阳高能粒子（SEP）事件可能会引起急性健康影响。此类事件可能会显著提高辐射水平，应尽快检测到，以防止对人员和设备造成严重损害。然而，由于火星大气层的影响，火星表面的高能粒子环境与深空有着显著的不同。根据原始太阳粒子光谱的强度和形状以及粒子类型，表面光谱可能引起完全不同的辐射效应。为了在避免不必要的警报的同时给出即时和准确的警报，重要的是建模并充分理解大气对入射SEP（包括质子和氦离子）的影响。在本文中，我们已经开发出一种通用的方法来快速建模的任何给定的入射质子/氦离子光谱的表面响应，并已将其应用到一组历史上的大型太阳活动，从而提供洞察可能引起的各种表面辐射环境，在SEP事件。在对30多个重大太阳事件统计研究的基础上，我们得到了一个直接由幂律SEP谱强度估算表面剂量率的经验模型。
2017-12-12 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
A Lower Limit of Atmospheric Pressure on Early Mars Inferred from Nitrogen and Argon Isotopic Compositions
我们使用氮和稀有气体的元素和同位素组成来研究火星大气的损失和补充的历史。计算大气层的演变时考虑到各种过程：小行星和彗星的撞击侵蚀和补充、太阳辐射和风引起的大气逃逸、火山脱气和行星际尘埃颗粒的气体沉积。我们的模型再现了火星大气中N和稀有气体（除N2）的元素和同位素组成，从探测任务和火星陨石分析中推断。其他过程，如电离诱导的分馏，这是不包括在我们的模型中，可能会作出很大的贡献，在生产目前的同位素组成。由于猛烈轰击期间的强烈撞击极大地影响了大气质量，大气压力随机演变。虽然稠密的大气层保留了原始的同位素组成，但早期火星上稀薄的大气层受到随机撞击事件和逃逸引发的分馏的严重影响。在大气压力降低后分馏的开始被解释为在较低的大气压力下同位素分馏的时间尺度较短。我们的数值计算结果与火星陨石Allan Hills 84001中记录的古代大气中分馏较少的N（$^15$ N/ $^14$ N）和Ar（$^38$ Ar/ $^36$ Ar）同位素组成的比较，提供了4 Ga的大气压力下限，以保存原始同位素组成。我们得出结论，在4 Ga时，大气压力高于约0.5 bar。
2017-08-13 astro-ph.EP
Investigating the Capabilities of Deep Learning for Processing and Interpreting One-Shot Multi-offset GPR Data: A Numerical Case Study for Lunar and Martian Environments
University of Aberdeen（阿伯丁大学）；Northumbria University（诺森比亚大学）；The University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Interdisciplinary Centre for Data and AI（数据与人工智能跨学科中心）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；China University of Geosciences (Wuhan)（中国地质大学（武汉））；Aristotle University of Thessaloniki（亚里士多德大学塞萨洛尼基分校）
本文通过月球与火星环境的数值案例，研究深度学习处理单次激发多偏移GPR数据的能力，实现近地表介电常数重建与缺失道填补，并公开标注合成数据集以推动GPR基础模型发展。
2024-10-18 astro-ph.EP astro-ph.IM cs.LG
A study of daytime convective vortices and turbulence in the martian Planetary Boundary Layer based on half-a-year of InSight atmospheric measurements and Large-Eddy Simulations
研究大气行星边界层（PBL）对了解行星的气候至关重要。InSight上的仪器在纬度4.5 $^{\circ}$ N处进行的气象测量为研究火星上白天PBL的活跃湍流动力学提供了独特的丰富数据集。在这里，我们使用InSight操作的前400个溶胶（从北半球的冬末到仲夏）中的高灵敏度连续压力，风，温度测量来分析火星白天PBL中的阵风，对流单体和漩涡。我们将InSight测量结果与连续分辨大涡模拟（LES）进行了比较。洞察号着陆点的白天PBL湍流非常活跃，对流单体的特征清晰可见，记录了6000次涡旋遭遇，可用指数为3.4的幂律充分表示。虽然InSight遇到的涡旋的每日变化可以通过湍流的统计性质来解释，但季节性变化与环境风速呈正相关，这得到了LES的支持。然而，阵风是正相关的地面温度，而不是环境风速和感热通量，确认白天火星PBL的辐射控制，和较少的对流涡形成LES时，背景风加倍。因此，InSight着陆点涡旋遭遇的长期季节性变化主要受环境风速对流涡旋平流的控制。LES中形成的涡旋所遵循的典型轨迹在方向和长度上显示出与轨道图像相似的分布。
2020-11-04 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
The M3 project: 2 -- Global distributions of mafic mineral abundances on Mars
一个辐射转移模型被用来再现数百万个代表火星火成岩地形的欧米茄光谱。这项任务提供了行星尺度上的模态成分和晶粒尺寸。岩性可概括为五个公里级矿物图。我们发现，火星表面的低赤道地区（从60°S到30°N）是全球主要的斜长石平均丰度约50体积%和辉石的总平均丰度接近40体积%。的LCP/（LCP+HCP）的比例的演变是观察随着时间的推移在全球范围内，这表明在整个火星时代的部分熔融程度的演变。橄榄石和火星尘埃是模拟地形的次要组成部分。橄榄石的分布与其他矿物有很大不同，因为它是在局部地区发现的，丰度达到20体积%。一种统计方法，使用k-均值聚类对丰度图的像素进行分类，突出显示了表面上七种不同的矿物组合。这一分类说明了在诺亚纪和西方纪地体中发现了不同的矿物学单元，这表明在这两个最古老的时代，在全球范围内存在着各种复杂的岩浆过程。化学成分来自模态组成图。欧米茄衍生的化学成分与以前被认为是火星表面指纹的几个独特的地球化学特征非常一致。一个主要的差异是关于铁的含量，这是显着小于土壤和岩石分析从GRS和原位测量。这种差异可以部分地由光谱建模所使用的假设来解释，或者也可以表明表面蚀变。
2021-01-29 astro-ph.EP
On the feasibility of laser satellite communications from the Martian surface
本文基于火星气候数据库模拟尘埃光学深度，评估火星大气对1.55微米激光通信链路的影响，计算表面与太阳同步轨道卫星间的链路预算，为未来火星激光通信任务设计提供约束。
2025-04-22 astro-ph.EP astro-ph.IM eess.SP
Radiation protection and shielding materials for crewed missions on the surface of Mars
一个潜在的载人火星任务将需要我们解决一些问题，包括如何保护宇航员免受来自太阳和银河系的高能带电粒子的破坏性影响。火星上的辐射环境特别令人感兴趣，因为保持宇航员的最佳吸收剂量对他们的生存至关重要。在这里，我们概述了火星上的条件，由理论模型和现场测量确定，并提出了主要的建议战略，以减轻辐射暴露，而在火星上。具体来说，我们专注于被动屏蔽技术。几种广泛使用的材料，以及一些创新的和这些组合，研究他们的行为对太阳高能粒子事件和银河系宇宙射线在火星环境。为此，我们实现了GEANT4包，这是由CERN开发的蒙特卡罗数值模型，专门用于模拟辐射与物质的相互作用。将给出我们的模型的描述，然后是数值模型的输出。我们的结论是，富氢材料作为更好的衰减器，正如预期的那样，但其他材料也可以帮助对抗宇宙射线。
2022-10-03 astro-ph.EP physics.space-ph
Cosmic radiation does not prevent collisional charging in (Pre)-Planetary Atmospheres
在（前）行星环境中，尘埃和沙粒定期碰撞。它们在这些事件中充电和放电。在这项工作中，我们研究宇宙辐射是否有任何影响的平衡电荷状态的时间尺度上的分钟。我们开发了一个实验，在平流层气球上升期间进行。随着海拔高度的增加，辐射活动增加了54倍。然而，我们发现谷物收费只有很小的下降，最高可达30%。这意味着，从地球上的雷暴，在行星形成的早期阶段，到火星表面的粒子运动，在短时间尺度上的电荷慢化过程基本上不受宇宙辐射的直接影响。
2020-10-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
Crewed Missions to Mars: Modeling the Impact of Astrophysical Charged Particles on Astronauts and Their Health
暴露于天体物理电离辐射对宇航员健康的影响是规划载人火星飞行任务的主要关切之一。宇航员将长时间暴露在来自银河系和太阳系的高能带电粒子中，在运输过程中几乎没有受到薄薄的航天器防护罩的保护，在表面上也没有受到稀薄的火星大气层的保护。对宇航员健康的不利影响包括急性辐射综合症、神经系统损伤和癌症风险增加。我们依靠医学研究来评估辐射剂量水平提高对宇航员各种生理系统和总体健康的影响。使用辐射测量和数值模拟与GEANT4包的组合，我们计算的辐射剂量分布在各种人体器官的各种预期的情况下模拟模型人体幻影。我们提出了缓解策略，例如改进屏蔽和膳食补充剂的方法，并为未来载人火星任务中宇航员的安全提出了建议。
2023-01-05 astro-ph.EP physics.space-ph
Seasonal thaws under mid-to-low pressure atmospheres on Early Mars
针对早期火星黯淡年轻太阳悖论，本研究利用ESTM模型和EOS辐射传输代码，发现1.3-2.0巴CO₂主导的大气在合适轨道参数下可产生季节性融化，中等含量CH₄可拓宽其参数空间。
2023-10-10 astro-ph.EP
Mars Express measurements of surface albedo changes over 2004 - 2010
无处不在的火星尘埃不断地在火星表面和大气层之间传输。当在地表时，灰尘增加了较暗的底层岩石和风化层的覆盖度，这改变了气候能量平衡，必须量化。然而，由于尘埃本身在大气中被抬升，对地面电离辐射绝对值和电离辐射变化的远距离观测变得复杂。在这里，我们提出了一种方法来计算和映射的热辐射太阳半球的火星表面使用2004 - 2010年欧米茄成像光谱仪数据集。这种方法考虑到气溶胶辐射转移，表面光度学，和仪器的问题，如可见光和近红外探测器之间的注册差异。对于明亮表面，所产生的反射率平均比之前的估计高17%，而对于黑暗表面，则类似。我们观察到，由于孤立的事件，表面反射率的变化主要发生在风暴季节。主要的变化是在2007年全球沙尘暴期间和次年观察到的。探测到各种各样的变化时间，例如火星年沉积的灰尘，然后清理，只有在连续的全球沙尘暴期间才改变的区域，以及几十年来的常年变化。与以往的全球沙尘暴的相似之处和不同之处。虽然大多数变化都涉及一层光学上薄的明亮尘埃，但这种涂层足以掩盖潜在的矿物学近红外光谱特征。总的来说，变化是由明显不稳定的事件造成的;然而，在很长的时间尺度上，某些（但不是所有）地区出现了周期性演变。
2015-03-10 astro-ph.EP
Variations in the Ionospheric Peak Altitude at Mars in Response to Dust Storms: 13 Years of Observations from the Mars Express Radar Sounder
先前的观测表明，在火星沙尘暴期间，电离层的峰值会升高。然而，这种类型的观察性研究非常有限。使用13年的电离层峰值高度的数据从火星先进的雷达地下和电离层探测（MARSIS）仪器在火星快车，我们研究了如何在6个不同的火星年（MY）的峰值高度响应沙尘暴。在所有六次事件中，峰值高度增加了$\sim$ 10-15 km，其中包括一次局部沙尘暴（MY 33），三次区域性沙尘暴（MY 27，29和32）和两次全球性沙尘暴（MY 28和34）。在MY 29和MY 32沙尘季节的顶点，峰值高度的轨道到轨道变化非常大，并且在MY 28和MY 34全球沙尘暴期间急剧增加。我们的结论是，沙尘暴显着增加高层大气的变化，这表明，它们增强动力学过程，耦合低层和高层大气，如向上传播的重力波或大气潮汐。
2019-08-19 astro-ph.EP
Climate simulations of early Mars with estimated precipitation, runoff, and erosion rates
关于火星早期气候的争论是行星科学中最有趣的争论之一。虽然地质证据通常支持更温暖和更潮湿的气候，但气候模型很难模拟这种情况，导致一些人认为火星表面观察到的河流地质（例如山谷网络，修改景观）可能是在寒冷的气候中形成的。然而，正如我们最初使用单柱辐射-对流气候模型[Ramirez et al. 2014 a]预测的那样，早期火山活跃的火星上CO2-H2碰撞诱导吸收（CIA）导致的变暖可能使平均地面温度升高到冰点以上，后来的计算表明，这是可以实现的，氢浓度低至~ 1%。然而，这些预测应该用更复杂的模型来检验。在这里，我们使用一个先进的能量平衡模型，其中包括北部低地海洋表明，平均地面温度接近或略高于水的冰点是必要的雕刻山谷网络。我们的设想与已经提出的相对较大的海洋相一致。在随后的移除过程之前，山谷网络分布将是全球性的。在较低的平均地面温度和较小的海洋规模，降水和表面侵蚀效率减少。温暖期可能在1000万年以下，这可能表明不需要情景性变暖机制。一旦表面冰层覆盖超过CIA假设的阈值，大气崩溃和永久冰川条件就会发生。我们的研究结果支持早期温暖和半干旱气候与许多地质观测相一致。
2020-03-11 astro-ph.EP
Modelling Slope Microclimates in the Mars Planetary Climate Model
Laboratoire de Météorologie Dynamique, Institut Pierre-Simon Laplace (LMD/IPSL), Sorbonne Université, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École Polytechnique, École Normale Supérieure (ENS)（气象动力学实验室，皮埃尔-西蒙·拉普拉斯研究所（LMD/IPSL），索邦大学，法国国家科学研究中心（CNRS），巴黎综合理工学院，巴黎高等师范学院）；Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Saclay, CNRS（天体物理研究所，巴黎萨克雷大学，法国国家科学研究中心（CNRS））
本文提出了一种在火星行星气候模型中模拟斜坡微气候的参数化方法，通过验证表面温度和霜检测数据，表明斜坡微气候对季节性二氧化碳和水循环影响较小，但与沟壑活动相关。
2023-09-15 astro-ph.EP
Space Weather Observations, Modeling, and Alerts in Support of Human Exploration of Mars
火星上的空间天气观测和建模已经开始，但它们必须显着增加，以支持未来人类在红色星球上的探索。对一个没有全球磁层和稀薄大气层的行星的全面空间天气了解与我们在地球上的情况非常不同，因此仍有大量的基础研究。预计适当模型的开发将导致建立一个全面的火星空间天气警报系统，该系统将通过发出迅速和可操作的警报，向地球控制人员、过境宇航员和地面探索区的宇航员迅速传播信息。为了说明这样一个系统的重要性，我们使用磁流体动力学代码来模拟一个极端的卡林顿型日冕物质抛射（CME）事件在火星。研究结果显示，在白昼一侧，近3000 nT的显着感应表面场可能会从根本上影响未受保护的电气系统，这将极大地影响人类在火星上的生存。其他相关的问题包括日冕物质抛射（CME）冲击驱动的太阳高能粒子加速，在火星表面产生大剂量的电离辐射。总之，在与国际伙伴更密切合作的同时，下一次太阳物理学十年期调查必须包括一项新的举措，以满足预期的空间天气预报需求，支持人类在火星表面生活和工作。这将需要作出重大努力来协调美国航天局和国际社会的贡献。
2022-11-08 astro-ph.EP physics.space-ph
How habitable are M-dwarf Exoplanets? Modeling surface conditions and exploring the role of melanins in the survival of Aspergillus niger spores under exoplanet-like radiation
本文通过模拟M矮星系外行星表面温度和辐射环境，并结合黑曲霉孢子辐射存活实验，发现火星大气或薄层土壤/水屏蔽下孢子可耐受超级耀斑，黑色素能显著提高存活率，为系外行星宜居性研究建立了微生物学框架。
2024-03-06 astro-ph.EP physics.bio-ph
Dust aerosol, clouds, and the atmospheric optical depth record over 5 Mars years of the Mars Exploration Rover mission
尘埃气溶胶在火星大气的行为和演变中起着重要作用。火星探测漫游者数据的前五个火星年提供了两个地点的灰尘负荷的前所未有的记录。这一记录有助于确定这些地点的大气特征，并作为轨道观测的地面实况。大气消光光学厚度已来自太阳图像校准和校正后随时间变化的灰尘，已积累在相机窗口。记录包括本地，区域和全球范围的沙尘暴。与同期热红外资料的比较表明，沙尘气溶胶的大小有显着的变化，在北部夏季的有效半径为1 μm，在沙尘扬升事件开始时的有效半径为2 μm。太阳经度（LS）20-136°周期的特征还在于机会号站点存在卷状云，特别是在LS=50和115°附近。除了水冰云，水冰雾也可能存在，二氧化碳云可能在季节早期出现。尘埃不透明度的变化对每个站点的能量平衡都很重要，并与日照的季节性变化一起控制Spirit站点的尘暴频率。
2014-03-17 astro-ph.EP physics.ao-ph
Galactic Cosmic Rays at Mars and Venus: Temporal Variations from Hours to Decades Measured as the Background Signal of Onboard Micro-Channel Plates
微通道板（MCP）是一种广泛用于空间颗粒计数的部件。利用运行17年和8年的火星快车和金星快车轨道器上MCP的本底计数，研究了内太阳系的银河宇宙线（GCR）特征。火星和金星的MCP背景计数在太阳周期时间尺度上表现出明显的反相关性的太阳黑子数。我们的结论是，测量的MCP背景包含GCR信息。在火星上使用MCP背景测量的GCR特性显示出与太阳活动周期24的地面测量相一致的特征。发现太阳黑子数量和火星MCP背景之间的时间差约为9个月。沿轨道记录的较短期背景数据（时间尺度为几个小时）也显示，由于行星吸收GCR粒子，背景计数明显减少。由于沿轨道可见的行星大小变化，GCR对MCP背景的贡献可以从内部贡献中分离出来，由于\b{eta}衰变。我们对火星GCR吸收特征的统计分析表明，火星对GCR粒子的有效吸收尺寸比固体火星天体的半径大100 km以上。
2022-04-04 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.IM
Yearly and seasonal variations of low albedo surfaces on Mars in the OMEGA/MEx dataset: Constraints on aerosols properties and dust deposits
使用OMEGA近红外数据集研究了暗火星表面特征光谱特性的时间变化。分析期间涵盖两个火星年，从2004年初到2008年初（包括2007年的全球尘埃事件）。辐射转移模型表明，低到中纬度黑暗地区的明显的辐射变化与火星探测漫游者从地面同时测量的大气尘埃的光学深度变化所产生的变化是一致的。我们只观察到一些可归因于表面现象的显著的微扰变化。它们是小规模的，位于明亮和黑暗区域之间的边界。然后，我们研究了气溶胶的平均粒径的变化，利用观测到的暗区光谱的演变之间的1和2.5 μm。总的来说，我们发现，所观察到的光谱斜率的变化与气溶胶的平均粒径随时间变化在1和2 μm之间是一致的。利用不同太阳天顶角的观测，可以确定不同高度的气溶胶层的特征，揭示气溶胶的颗粒大小随着高度的增加而减小。
2011-03-17 astro-ph.EP
