Comparison of "warm and wet" and "cold and icy" scenarios for early Mars in a 3D climate model
我们使用一个三维大气环流模型来比较原始的火星水文循环在“温暖和潮湿”和“寒冷和冰冷”的情况。在温暖和潮湿的情况下,需要人为地将异常高的太阳通量或强烈的温室变暖添加到气候模型中,以保持温暖的条件和无冰的北部海洋。降水表现出强烈的地表变化,Hellas盆地和塔尔西斯西部的降水率很高,但Margaritifer Sinus周围的降水率很低(尽管如此,观察到的流域网络排水密度很高)。在寒冷和结冰的情况下,雪的迁移是一个函数的湿度和表面压力,有限的幕式融化是可能的,通过季节性,火山和影响力的组合。在地面压力高于避免大气崩溃所需的压力(约0.5巴)和中等至高的湿度下,雪被输送到赤道高地地区,那里的山谷网络密度最高。伊奥利斯四边形的积雪量很高,这表明盖尔陨石坑不需要无冰的北部海洋来供水。在较低的表面压力和湿度下,H2O和CO2都被困在两极的冰中,赤道地区变得非常干燥。山谷网络分布与41.8度寒冷和结冰模拟产生的积雪呈正相关,但与温暖和潮湿模拟产生的降水无关。由于我们的模拟对不同气候情景下的降水模式做出了具体的预测,它们激发了未来有针对性的地质研究。
2015-06-16 astro-ph.EP
A warmer and wetter solution for early Mars and the challenges with transient warming
火星早期的气候已经被热烈讨论了几十年。虽然大多数调查人员认为地质学表明地表水的存在,但对于地表必须有多温暖和潮湿以及这种条件可能存在多久,仍然存在分歧。虽然地质证据最容易用持续温暖的气候来解释,但气候模型在产生温暖的表面条件方面所遇到的困难已经播种了各种模型,这些模型假设火星早期寒冷和冰川,并被短暂的变暖事件所打断。然而,我使用一个单列辐射对流气候模型来表明,它是相对更直接地满足温暖和相对无冰川的早期火星条件,只需要约1%的H2和3巴CO2或约20%的H2和0.55巴CO2。相比之下,表面冰的反射率大大增加了暂时温暖最初冻结表面的难度。对于瞬时变暖模型,温暖条件所需的表面压力阈值增加约10%至60%,这取决于冰盖分数。没有温暖的解决方案是可能的冰盖分数超过40,70,和85%的混合雪和冰和25,35,和49%的新鲜雪和冰在H2浓度分别为3%,10%和20%。如果需要高温(298至323 K),以产生所观察到的表面粘土量在一个短暂温暖的早期火星(主教等人),我表明,这样的温度将需要表面压力,超过现有的古压力的限制,几乎所有的H2浓度考虑(1至20%)。然后,我认为,温暖和半干旱的气候仍然是最简单和最合乎逻辑的解决方案,火星古气候。
2017-06-27 astro-ph.EP
Localized precipitation and runoff on Mars
我们使用火星区域大气模拟系统(MRAMS)来模拟火星上的湖暴,发现当湖泊面积大于等于10^3平方公里时,会出现强烈的局部降水。火星有一个低密度的大气层,所以深层对流可以由少量的潜热释放引发。在我们的参考模拟中,浮力羽流将蒸汽提升到冷凝水平以上,形成20公里高的光学厚度云。冰粒生长到200微米半径,并以平均速率高达1.5毫米/小时水当量(最大速率高达6毫米/小时水当量)落在湖泊附近(或湖泊中)。由于火星表面层外的大气温度总是远低于273 K,因此过饱和和冷凝开始于火星湖泊上方的低海拔。与地球上的湖暴不同,火星上的湖暴涉及持续的降水,其垂直速度和羽流高度超过地球上的热带雷暴。对于小于10^3 km^2的湖泊或大于O(10^2)mbar的大气压力,对流不会到达行星边界层以上。相反,蒸汽被平流顺风,几乎没有云的形成。降水以降雪的形式出现,而陆面上由羽流蒸汽和风暴云产生的日间辐射强迫太小,不足以直接融化积雪(<+10 W/m^2)。然而,如果轨道条件是有利的,那么雪可能会季节性地不稳定融化,并产生径流形成通道。我们通过在所有可能的轨道条件下运行热模型,并根据Laskar等人给出的概率对结果进行加权,2004.我们确定,对于赤道水汽源,阳光比现在暗15%,积雪的温度为0.28(0.35),融化可能发生的概率为4%(0.1%)。如果古代的温室效应比今天稍大(6 K),这一比例将上升到56%(12…
2010-12-22 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Estimating precipitation on early Mars using a radiative-convective model of the atmosphere and comparison with inferred runoff from geomorphology
我们比较大气降水的估计在火星诺亚-赫斯珀边界3.8 Gyr前计算的大气辐射对流柱模型与径流值估计从地貌分析的树枝状山谷网络放电率。在大气模型中,我们假设CO2-H2O-N2大气的表面压力从20 mb变化到3 bar,输入太阳光度降低到现代值的75%。从山谷网络分析的结果是几毫米d-1的液态水降水量(1.5-10.6毫米d-1,中位数为3.1毫米d-1)的顺序。大气模型的结果要低得多,降雪量约为0.001-1 mm d-1(取决于CO2分压)。因此,大气模型预测的降水量明显低于地貌分析的估计值。此外,全球平均地面温度低于冰点,即径流很可能与降水没有直接联系。因此,我们的研究结果强烈支持一个寒冷的早期火星与情节融雪作为径流的来源。我们的方法受到了大多数不受约束的参数的挑战,例如温室气体丰度、全球气象学(例如云)和行星参数(如影响大气结果的湿度),以及估计古代火星上的排放和径流的固有问题,例如缺乏对渗透和蒸发速率以及洪水时间尺度的了解,这些都会影响地貌数据。尽管如此,我们的工作是结合和解释早期火星大气和地貌研究中应用的定量工具的第一步。
2014-11-19 astro-ph.EP
Chaos, storms and climate on Mars
朱文泰峡谷附近高原上的通道网络具有火星上报告的最高排水密度。我们模拟了朱文泰高原上的冰冻降水,发现形成这些通道网络的触发因素可能是短暂的湖岸降水,并且它们不需要过去的温度高于今天。如果短期和局部事件解释了火星上的一些树枝状通道网络,这将削弱树枝状山谷网络与维持生命的地表气候条件之间的联系。我们的分析使用MRAMS模拟和HiRISE DTM。我们模拟了外流通道形成期间由短暂湖泊释放的水蒸气驱动的局部天气系统。在Juventae Chasma,平均降雪量在裂缝西南边缘达到最大值0.9 mm/hr水当量。厚云层的辐射效应提高了最大值。(最小,平均)平台地面温度高达24 K(9 K,17K)局部。关键的结果是,模拟的最大降水面积与绘制的Juventae高原通道网络显示出惊人的对应关系。三种独立的方法表明,这种拟合不太可能是我们使用积雪能量平衡模型来表明,如果雪具有灰尘的能量,(0.28),太阳光度为0.8($\equiv$ 3.0Gya),则如果大气温室效应从(比今天高6 K),只有0.4%(21%)的湖泊引起的降水事件产生积雪融化。然而,与此相关的高密度云层覆盖导致的变暖将允许在更大范围的条件下融化。2在这些局部降水的情况下,全球气温不需要比今天高,地球上的其他地方仍然干燥。
2010-12-31 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The role of impact and radiogenic heating in the early thermal evolution of Mars
提出了考虑核-幔分异和核-幔-壳分异的火星行星分异模型。通过考虑短寿命核素~(26)Al和~(60)Fe的辐射加热,对火星早期热演化进行了数值模拟,模拟时间跨度可达早期太阳系的最初2500万年(Ma)。在火星吸积过程中的冲击加热的影响也纳入了模拟。火星的早期吸积需要短寿命的核素在加热过程中发挥重要作用。26 Al与撞击加热一起可以为整个主体提供足够的热能,以基本上熔化并触发行星尺度的分化。这与完全基于撞击加热的热模型相反,撞击加热不能产生广泛的熔化和行星分化。火星的早期吸积可能发生在太阳系早期的~1.5 Ma,如果火星在~1 Ma的时间尺度上吸积,可能会导致火星的实质性分化。这似乎与火星陨石的年代记录一致。
2014-08-17 astro-ph.EP astro-ph.SR
Anoxic Atmospheres on Mars Driven by Volcanism: Implications for Past Environments and Life
今天的火星没有活跃的火山活动,其大气层是氧化的,主要由CO2和H2O的光化学组成。使用一维光化学模型,我们考虑是否合理的火山气体流量可以切换过去火星大气的氧化还原状态,以减少条件。在我们的模型中,火山气体的总量和比例取决于源熔体的水含量,放气压力和氧逸度。我们发现,在合理的熔融参数下,过去的火星大气(到现在约为3.5 Gyr)很容易达到还原和缺氧的条件,火山活动水平适中,>0.14 km^3/年,完全在先前估计的范围内。与直觉相反的是,我们还发现,更多的还原熔体与较低的氧逸度需要更多的火山活动,以切换古大气从氧化还原。原因是,硫是更稳定的,在这样的熔体和含硫气体的绝对流量较低,超过补偿增加的比例H2和CO.这些结果意味着,古代火星应该经历过缺氧和减少大气的时期,即使通过亚马逊河流域中期,每当火山排气持续在足够的水平。减少缺氧条件可能有助于合成益生元有机化合物,如氨基酸,因此与火星上存在生命的可能性有关。此外,缺氧还原条件应该影响了在表面上形成或从大气中沉积的矿物质的类型,例如元素多硫(S8)作为过去还原气氛的标志。最后,我们的模型使我们能够估计火星历史上沉积的火山源大气硫酸盐的数量,大约为10^6至10^9 Tmol,其分布取决于假设的放气速率历史和岩浆源条件。
2021-03-24 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
A Noachian proglacial paleolake on Mars: Fluvial activity and lake formation within a closed-source drainage basin crater and implications for early Mars climate
在火星南部高地有一个直径54公里的诺亚时代的陨石坑,里面有保存异常完好的倒置河道网络和湖泊沉积物,所有这些都是在陨石坑内部形成的。这个封闭源流域(CSDB)陨石坑不同于以前记录的火星上的河流破裂或地下水注入的陨石坑盆地湖泊。我们将我们的观察结果与以前建立的火星上的陨石坑退化,河流切割和地形反演模型进行比较,以评估形成河流和湖泊特征的水的最可能来源。我们倾向于自上而下融化的冷基冰川作为CSDB陨石坑的水源,这将代表在诺亚火星上发现的第一个冰前河流通道和湖泊的例子。
2021-03-01 astro-ph.EP physics.geo-ph
The Climate of Early Mars
早期火星气候的性质是行星科学中尚未回答的主要问题之一。关键的挑战依然存在,但新一波的轨道和现场观测以及气候建模的改进在过去十年中取得了重大进展。现在,多条地质证据表明,在3-4 Ga的诺亚纪晚期和西方纪早期,地表存在周期性温暖。火星在最初的10亿年里接收到的太阳辐射量很低,二氧化碳等温室气体的效率也很低,这意味着火星早期的稳定气候可能是寒冷的。一个更稠密的二氧化碳大气层会导致表面的绝热冷却,从而使水冰迁移到更高海拔的赤道和南部地区。短暂的变暖造成冰雪融化,水文循环暂时活跃,导致河谷网络和其他河流地貌受到侵蚀。变暖机制的确切细节尚不清楚,但影响,火山活动和轨道强迫都可能发挥了重要作用。火星大部分古老地形缺乏冰川作用的证据,这表明诺亚纪晚期的地表水不足以维持北部的海洋。虽然火星表面主要是不适合居住的,但早期的火星可能为微生物生命的发展提供了重要的机会。
2016-06-09 astro-ph.EP
Dynamical effects of multiple impacts: Large impacts on a Mars-like planet
一个完全组装的行星演化的最早阶段受到许多盆地形成影响的深刻影响,这些影响大到足以改变其更深内部的动力学。在某些情况下,这些影响的间隔很近,在很短的时间间隔内一个接着一个,因此它们的影响相互作用,导致的行为可能不同于两个单独和孤立影响的简单总和。我们使用二维模型的地幔对流在一个类火星行星和一个简单的参数化表示的影响的主要影响,研究一些动力学效应和相互作用的多个大的影响。在模型中,只有两个影响,我们确认,相互加强的动态影响的影响,更接近他们在空间和时间,但效果并不总是对应于简单的叠加的那些单一的,孤立的影响。在具有不同大小、距离和频率的多个(4-8个)撞击的模型中,地幔的全球响应在短期内与撞击序列一样可变,但在长期内,不同的演化路径收敛于几个指示变量,如平均流速、温度或热流。尽管如此,超过一定的冲击频率和能量,岩石圈不稳定性引发的大的影响发生在全球范围内,振兴地幔动力学的长时间跨度,并需要一个后期阶段的熔融生产除了在一个或两个影响模型中没有观察到的初始熔融阶段。在一次或几次非常大的撞击之后,一些岩石圈物质可能会下沉到地核-地幔边界,如果有足够的物质在那里积累,它会在数亿年内增加地核的热通量,可能会影响发电机的活动。
2019-01-27 astro-ph.EP
High and dry: billion-year trends in the aridity of river-forming climates on Mars
火星从湿到干的转变是一场重大的环境灾难,但空间模式、速度和干燥的原因却没有得到很好的限制。我们建立了一个全球分布的数据库,限制火星后期古湖泊的大小相对于集水区(干旱指数),并发现气候分区的证据,因为火星正在干燥。随着时间的推移,中纬度南部高地的干旱程度增加,那里的湖泊比例变得像现代内华达州一样小。与此同时,赤道和北中纬度低地的气候持续间歇性湿润。这与火星温室效应的变化相一致,除了在短暂的融化季节,火星的高地太冷,不适合液态水,或者火星地下水位下降。这些数据是一致的开关未知原因的干旱指数对海拔高度的依赖,从高和潮湿的早期,高和干燥后。这些结果使我们对火星气候的看法更加清晰,因为表面条件对生命的压力越来越大。
2022-11-19 astro-ph.EP physics.geo-ph
Runaway climate cooling of ocean planets in the habitable zone: a consequence of seafloor weathering enhanced by melting of high-pressure ice
在宜居带中被厚厚的海洋覆盖的类地行星(被称为海洋行星)在大多数情况下被推断为具有极热的气候。这是因为海底的${\rm H_2O}$高压(HP)冰阻止了化学风化,从而阻止了大气CO $_2$的去除。然而,以前的研究忽略了高压冰的融化和来自大洋地壳的热通量的水平变化。在这里,我们研究是否高的热通量附近的洋中脊融化的高压冰,从而消除大气${\rm CO_2}$。我们开发了一个地球大小的海洋行星与板块构造不同的海洋质量,其中包括高压冰融化,海底风化和碳酸盐-硅酸盐地球化学碳循环的影响的综合气候模型。我们发现洋中脊附近的热通量高到足以融化冰,使海底风化。与以前的理论预测相反,我们表明,具有巨大海洋的类地行星的气候陷入极冷的(或雪球状态)与CO $_2$ -贫大气。这种极端寒冷的气候主要是因为高压冰融化将海底温度固定在融化温度,从而保持高风化通量,而不管地面温度如何。我们估计,海洋行星的海洋质量是地球海洋质量的几十倍,不再保持温和的气候。这些结果表明,即使在太阳系以外的宜居带中也存在气候极冷的类地行星,因为行星形成理论预测的富含水的行星频率很高。
2019-07-12 astro-ph.EP
Resolving the era of river-forming climates on Mars using stratigraphic logs of river-deposit dimensions
河流沉积物是告诉我们火星曾经有过与今天不同的气候的主要证据之一,因此河流沉积物随时间的变化告诉我们火星气候如何随时间变化。在这项研究中,我们集中在一个沉积盆地- Aeolis Dorsa -其中包含了非常高的数量非常保存完好的河流沉积物,似乎已经形成了超过$>$ 0.5百万年的时间间隔。我们使用的变化,在河流沉积物的规模与地层高程作为代理的变化,河流古流量。弯曲的波长向上收紧,通道宽度向上变窄,并且有一些证据表明地层中较高的宽的大波长通道会恢复。曲流波长和河道宽度随地层高程变化。古河道尺寸随地层高度变化的1.5-2倍的系数对应于成岸流量变化的$\sim$ 2.6倍(使用标准的波长-流量定标和宽度-流量定标)。结合来自$\sim$ 10 m地层距离处流量变化的标记床的证据,河流沉积物规模的变化表明,成岸流量在10 m地层(10 $^2$ - 10 $^6$年)和$\sim$ 100 m地层(10 $^3$ - 10 $^9$年)规模上均发生变化。由于这些变化在整个盆地中是相关的,它们记录了盆地尺度强迫的变化,而不是较小尺度的内部反馈。导致特征坡度和/或流域面积变化的沉积物输入变化可能是原因,另一种可能性是气候变化($\pm$ 50 W/m $^2$的峰值能量可用于冰雪融化)。
2017-05-30 astro-ph.EP
Observations of Water Frost on Mars with THEMIS: Application to the Presence of Brines and the Stability of (Sub)Surface Water Ice
Sorbonne Université, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), École Polytechnique, École Normale Supérieure (ENS)(索邦大学,法国国家科学研究中心,巴黎综合理工学院,巴黎高等师范学院);Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology(加州理工学院喷气推进实验室);Northern Arizona University(北亚利桑那大学);Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS/CNRS)(大气、介质、空间观测实验室)
利用THEMIS观测火星水冰,揭示其季节性存在及对次表面冰稳定性的贡献。
2024-08-27 astro-ph.EP
Enabling Ice Core Science on Mars and Ocean Worlds
提出紧凑型仪器MSIS,通过融化与升华冰芯并连接下游分析,支持火星和海洋星球的火山、气候、生命及天体生物学研究。
2023-01-05 astro-ph.EP physics.geo-ph physics.ins-det
How to infer ocean freezing rates on icy satellites from measurements of ice thickness
本研究针对冰卫星海洋属性难测量的问题,提出基于冰壳重力流的第一性原理标度律,可结合冰层厚度与基底黏度估算海洋冻融速率,经南极罗斯福岛数据验证,为冰卫星海洋冻融速率估算提供了新方法。
2024-10-09 astro-ph.EP
Can a fractionally crystallized magma ocean explain the thermo-chemical evolution of Mars?
在行星吸积的后期阶段积累的撞击热可以熔化地球上的一个重要部分甚至整个地幔,从而形成全球性的岩浆海洋。[...]假设岩浆海洋的分离结晶,致密的堆积物产生于靠近表面的地方,这主要是由于演化的岩浆海洋液体中的铁富集(Elkins-Tanton等人,2003年)。这样就形成了一个重力不稳定的地幔,它很容易翻转。本文利用二维圆柱几何中的地幔对流模拟研究了火星的积云翻转及其对热演化的影响。我们提出了一套模拟使用不同的初始条件和强烈的温度依赖性的粘度。我们假设,所有的放射性热源已被富集在冻结阶段的岩浆海洋在最高的50公里,最初的蒸汽气氛所创造的冻结岩浆海洋脱气迅速失去,这意味着地面温度设置为今天的值。在这种情况下,停滞的盖子迅速形成在对流内部的顶部,防止最上面的致密堆积物下沉,即使允许塑性屈服机制。在这个致密的停滞盖之下,地幔化学梯度稳定下来。对流模式主要是由小规模的结构,这是很难调和的大规模火山的特点观察到火星的表面和部分融化停止在不到900 Ma。假设停滞的盖子可以因为额外的机制而破裂并允许最上面的致密层翻转,则获得稳定的密度梯度,其中致密材料和全部热源位于CMB上方。这种分层导致最低地幔的强烈过热[...]
2014-04-01 astro-ph.EP physics.geo-ph
Changing spatial distribution of water flow charts major change in Mars' greenhouse effect
早期的火星有河流,但火星从湿润到干燥转变的原因仍然未知。火星过去的气候可以利用气候敏感地貌的空间分布来探测。我们分析了全球水力地貌数据库,并确定了河流空间分布随时间的变化。这些变化简单地解释了由全球气候模式模拟的集合驱动的简化的融水模式的比较,作为$\gtrsim$ 10 K全球冷却的结果,从全球平均地面温度(T)$\ge$ 268 K到T $\sim$ 258 K,由于较弱的温室效应。换句话说,早期火星上形成河流的气候首先是温暖潮湿的,然后是寒冷潮湿的。令人惊讶的是,在我们的全球气候模式模拟集合中对温室效应的分析表明,这种转变主要是由非CO2辐射强迫减弱驱动的,而不是CO2辐射强迫的变化。
2022-05-31 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Feasibility of keeping Mars warm with nanoparticles
本文提出用火星易得材料制成的导电纳米棒形成人工气溶胶,模型显示以30升/秒持续释放可使火星全球升温逾30 K并融冰,效率远超温室气体。
2024-09-05 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Survey of remnant seasonal water ice patches at southern polar Mars
该研究普查 HiRISE 图像并结合 MCD 模拟,考察火星南极季节性冰盖消退后残留冰斑块的分布、存续与升温条件,认为宏观液态水极不可能存在,但或可形成纳米级界面预熔水层。
2023-06-07 astro-ph.EP
Climate and ocean circulation changes toward a modern snowball Earth
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology(日本海洋地球科学技术局);Earth-Life Science Institute (ELSI), Institute of Future Science, Institute of Science Tokyo(东京科学大学未来科学研究所生命起源研究所);Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo(东京大学大气海洋研究所);University of the Ryukyus(冲绳大学);Department of Geophysics, Graduate School of Science, Tohoku University(东北大学理学研究科地球物理学科);National Institute of Polar Research(国立极地研究所);The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI(综合研究大学院大学)
研究通过气候模型探讨现代雪球地球形成过程中海洋环流的变化及演变,揭示了海冰增长和盐度分层对环流的影响。
2026-03-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
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
Ice state evolution during spring in Richardson crater, Mars
火星的气候是由一个年度循环,这导致在冬季的CO $_{2}$冰冷凝,在极点达到一米厚,延伸数千公里。水和灰尘可能在冷凝过程中被捕获,并在升华过程中被释放。此外,冰可能是半透明的或颗粒状的,这取决于沉积过程(雪与直接冷凝)、退火效率和沉降过程。冰的透水性的确定对于确认或拒绝冷射流模型(也称为Kieffer模型)具有特别的意义。这项工作的重点是理查森火山口的沙丘领域,其中水,灰尘和CO $_{2}$周期之间的强相互作用进行了观察。利用辐射转移模型反演方法对近红外区的CRISM高光谱图像进行了分析。我们证明,在CO $_{2}$冰的状态,半透明状态是最常见的。对地表特征的监测显示,春季冰层厚度减少,这与气候模型的模拟结果一致。我们估计到CO $_{2}$冰的几ppmv非常低的灰尘含量,与冷喷流的形成情景一致。水的杂质约为0.1v,在春季几乎是稳定的,这表明水从升华的CO $_{2}$冰层表面逃逸。水冰的粒度在1至50微米的范围内变化。从这些结果中,我们提出了以下新的机制,小水冰粒悬浮:作为一个冷射流发生,各种大小的水冰粒从表面抬起。这些喷射发生在白天,此时来自升华的CO $_{2}$冰层的总体向上气体通量足够强,足以携带较小的颗粒,而较大的颗粒则回落到CO $_{2}$冰层上。较小的水颗粒被带走并整合到一般的大气环流中。
2018-06-19 astro-ph.EP
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
Measurements and semi-empirical calculations of CO2+CH4 and CO2+H2 collision-induced absorption across a wide range of wavelengths and temperatures. Application for the prediction of early Mars surface temperature
最近出现了一种有希望的情景,使早期火星表面变暖,足以推动迄今为止在火星表面发现的山谷网络和其他古老的水特征的形成。在这里,我们提出了一系列的实验和计算,以更好地约束CO2+ CH 4和CO2+H2碰撞诱导的反射(CIA),以及它们对早期火星地面温度的预测的影响。首先,我们进行了一组新的实验测量(使用AILES线的SOLEIL同步加速器)的CO2+ CH 4和CO2+H2 CIAs。这些测量结果证实了Turbet et al. 2019,Icarus vol. 321的先前结果,同时显著降低了实验的不确定性。其次,我们将半经验模型拟合到这些CIA测量结果中,使我们能够在宽光谱域(0- 1500 cm-1)和宽温度范围(100- 600 K)内计算CO2+ CH 4和CO2+H2 CIA。最后,我们进行了1-D数值辐射对流气候计算(使用LMD通用模型),以计算预期的地面温度的表面上的早期火星的几个CO2,CH 4和H2的大气含量,考虑到这些修订后的CIA的辐射效应。这些计算表明,厚厚的CO2+H2为主的大气仍然是一个可行的解决方案,使火星表面升温到水的熔点以上,但不是CO2+ CH 4为主的大气。我们计算的CO2+ CH 4和CO2+H2 CIA光谱和预测的早期火星地面温度提供给社会供未来使用。
2020-04-08 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.atm-clus
Circumpolar ocean stability on Mars 3 Gy ago
研究利用GCM模拟提出,30亿年前火星可在1 bar含10% H2的CO2大气下形成冷湿气候,使环极地海洋稳定,并同时解释海啸沉积与南部冰川地貌。
2023-09-30 astro-ph.EP physics.ao-ph
The environmental effects of very large bolide impacts on early Mars explored with a hierarchy of numerical models
我们使用一个层次的数值模型(3-D全球气候模型,1-D辐射对流模型和2-D地幔动力学模型)来探索早期火星大气,表面和内部的巨大影响的环境影响。使用1-D和3-D气候模拟相结合,我们表明,在火星上记录的最大的影响事件的环境影响的特点是:(一)短的影响引起的温暖期;(二)少量的水的水文循环;(三)洪水式降水;和(四)降水模式,是不相关的观测区域的山谷网络。我们表明,Segura等人2012年预测的撞击引起的稳定失控温室状态在物理上是不一致的。我们证实了Segura等人2008年和Urata & Toon 2013年的结果,即水冰云可以显着延长撞击后温暖期的持续时间,甚至云覆盖率低于Ramirez & Kasting 2017年的预测。然而,这种方案适用的云微物理特性范围非常窄。使用2-D地幔动力学模拟,我们发现,大的影响可以提高近地表的内部热通量高达几百毫瓦/米$^2$(即高达$\sim$ 10倍的环境通量)数百万年在撞击坑的边缘。然而,这样的内部热通量不足以保持火星表面高于水的熔点。我们的数值结果支持Palumbo & Head 2018的预测,即非常大的撞击引起的降雨可能导致陨石坑退化并形成平滑的平原,可能会消除以前可见的表面形态历史。这样的热液也可能导致形成的水蚀变产物的诺亚时代的地形。
2020-04-08 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Micrometer-Sized Water Ice Particles for Planetary Science Experiments: Influence of Surface Structure on Collisional Properties
模型和观测表明,雪线上和雪线以外的冰粒聚集在行星形成的最早阶段占主导地位,因此许多实验室研究都是如此。然而,原行星盘中的压力-温度梯度意味着冰不断地被加工,经历不同固相和气相之间的相变。关于冰粒子本身的性质是否决定了碰撞结果,以及碰撞实验如何有效地再现原行星环境中的条件,仍然存在着悬而未决的问题。以前的实验经常得出明显矛盾的碰撞结果,只有在$\approx$ 210 K以上的温度依赖性设置同意。通过利用NIMROD中子散射仪器的独特功能,我们表征了碰撞实验中使用的冰颗粒的体积和表面结构,并研究了这些结构如何在约30毫巴的恒定压力下随温度变化。我们的冰粒是在液氮下形成的,当它们从103 K加热到247 K时,会经历结晶冰相、升华、烧结和表面预熔化的变化。扩散表面层的厚度从$\approx$ 10增加到$\approx$ 30埃($\approx$ 2.5到12个双层)证明在高于$\approx$ 210 K的温度下分子迁移率增加。由于没有其他变化与碰撞结果的温度趋势联系在一起,我们得出结论,在这些温度下,表面预熔化现象在碰撞实验中起着关键作用。因此,压力-温度环境对碰撞结果的影响可能比以前认为的更大。
2017-10-06 astro-ph.EP
3-D Global modelling of the early martian climate under a dense CO2+H2 atmosphere and for a wide range of surface water inventories
CO2+H2温室效应最近被认为是一个有希望的情景,足以使早期火星表面变暖,从而形成山谷网络和湖泊。在这里,我们提出了数值的3-D全球气候模拟的早期火星气候,我们已经进行了假设稠密的CO2+H2大气。我们的气候模型来自Forget et al.(2013)和Wordsworth et al.(2013)的早期工作,与火星冰川和湖泊长期演化的异步模型相结合。模拟在40°赤道进行,以研究(i)水含量和(ii)H2含量(添加到1或2巴的CO2中)如何塑造早期火星的气候和水文循环。我们表明,绝热冷却机制(华兹华斯等。2013),导致冰沉积物在寒冷的气候(所谓的“冰高地”)南部高地的积累也适用于温暖的气候,与撞击坑湖作为主要的水库。这产生的降雨主要集中在火星南部高地。如果调整(i)CO2和H2的量,(ii)水库的大小和位置,以及(iii)古老的地形(即通过删除Tharsis),模拟中的地表径流(来自降雨或融雪)的空间模式可以匹配-除了少数例外-观察到的山谷网络和撞击坑湖泊的分布。虽然我们的研究结果是在富含H2的CO2为主的大气中获得的,但它们也应该适用于评估早期火星上强大的长寿命温室气体的任何组合的影响。
2021-03-18 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The effect of core formation on surface composition and planetary habitability
一个分化的行星地幔的熔融生产力主要由其铁含量控制,而铁含量本身近似于行星的核心质量分数(CMF)。在这里,我们表明,估计系外行星的CMF允许强大的预测的厚度,成分和矿物学的衍生地壳。这些预测的地壳成分允许限制放置在表面和深层行星内部之间的挥发性循环,与可居住的行星表面的演变的影响。具有大型类地CMF($\geq$ 0.32)的行星将呈现出薄壳,无法有效地将地表水和其他挥发物输送到下面的地幔中。相比之下,具有较小CMF($\leq$ 0.24)和更高,类似火星的地幔铁含量的岩石行星将发展能够稳定含水矿物的厚壳,这可以有效地将挥发物隔离到行星内部,并在与演化相关的时间尺度上去除表面水。核心形成的程度对随后的行星表面环境有着深远的影响,并可能为寻找可居住的类地系外行星提供额外的限制。
2021-04-21 astro-ph.EP
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
Exploring Metal Additive Manufacturing in Martian Atmospheric Environments
University of Arkansas(阿肯色大学)
本研究探讨了在火星大气中使用二氧化碳替代氩气进行选择性激光熔化制造的可行性,发现其在制造质量上优于环境空气,为火星原地制造提供了新途径。
2026-01-03 astro-ph.EP astro-ph.IM cond-mat.mtrl-sci
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
Climate instability on tidally locked exoplanets
在昼夜地面温度对比强烈的行星上,可能会出现使同步旋转的岩石行星气候不稳定的反馈。类地可居住带(HZ)行星在地质时期保持稳定的表面液态水。这就需要在气候变化导致的温室气体消耗与其他过程的温室气体再供应之间取得平衡。探测到的小半径系外行星和预期的M-矮HZ岩石行星,预计将被潮汐锁定。我们调查了两个反馈,可以不稳定的潮汐锁定行星的气候。(1)如果压力的微小变化改变了行星表面的温度分布,使得当压力降低时风化率增加,则会发生正反馈,包括增加亚恒星点附近的风化率,降低压力,并增加亚恒星地面温度。(2)当压力的降低增加了熔点以上的表面积时(通过减少亚恒星点的平流冷却),液体体积的相应增加导致大气的净溶解,压力进一步降低。我们使用一个理想化的能量平衡模型来绘制这些不稳定性可能发生的条件。风化失控可使宜居带缩小,并在HZ内引起地质上快速的10^3倍的压力变化。火星可能在过去经历过风化失控。星下溶解通常是压力变化的负反馈或弱正反馈。如果大气具有高的辐射效率,则这两种不稳定性都被抑制。我们的研究结果是最相关的大气是薄,温室气体辐射效率低。这些结果确定了HZ行星可以经历快速气候变化并变得不适合居住的新途径。
2011-09-13 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph