在我们生活的地球上,闪电是很常见的自然现象之一,尤其是在炎热的夏季。那么,你对闪电的形成原理又知道多少呢?很多人有所不知,哪怕是来自太阳的紫外线辐射、深空的宇宙射线,都可以产生闪电所需要的电荷。但是,若将这样的机制置于火星上,那么可能就不足以让闪电产生。为什么火星上的闪电比地球上的闪电更微弱、且更加罕见?

火星为什么引力比较小(为什么火星上的闪电比地球上的闪电更微弱且罕见)(1)

火星上的闪电现象微弱且罕见

2006年,科学家们发现了火星上沙尘暴中的微波辐射;2009年,发现了火星存在闪电的第一个证据;科学家们通过一项新的研究,又有了新的发现:因为火星这个红色星球的空气稀薄,所以,倘若闪电存在于火星之上,那么它也不可能像地球上的闪电那样充满活力,并且,还会表现的更加微弱且足够罕见。

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空气稀薄的红色星球气候如何

火星的气氛比地球的大约薄100倍,平均温度约为零下60摄氏度(零下80华氏度),因为,火星的稀薄大气层与太阳的距离更远,这便意味着火星比地球更冷。灰尘也是火星大气中的永久性部分,尤其在北方的秋季和冬季含量较高,北方春季和夏季相对含量较低,巨大的尘埃常常将“氧化铁尘“覆盖在火星表面。

火星的季节性变化,是由于二氧化碳冰盖的上升和下降,造成了大气中的尘埃在周围移动,以及水蒸气在地表和大气之间移动。在冬季,极地区域中的温度会使部分物质凝结成在其表面上的冰。CO 2 也会升华掉在春季和夏季冰帽,返回到气氛。这种循环的CO 2进出表面上的冰,在火星年的过程中改变由百分之几十的大气质量。

火星为什么引力比较小(为什么火星上的闪电比地球上的闪电更微弱且罕见)(3)

火星沙尘暴发出的非热微波辐射

科学家使用探测器通过测量其电场强度的高阶矩,来区分热和非热源的辐射,并得到了火星尘暴发射“非热微波辐射”的证据。在深空网络(DSN)的34米射电望远镜中,安装了探测器进行测量,每天大约进行5小时。只有当一个35公里深的火星尘暴在射电望远镜视场内时,科学家们检测到几小时的一些非热辐射。

并且,这些非热辐射的光谱,在火星舒曼共振的最低三种模式的预测值附近,有显着的峰值( SR)。SR由火星表面与其电离层之间的同心球腔中形成的电磁驻波引起,并由大规模放电强迫。因此,非热辐射可能是由火星尘暴中的放电所引起的结果。这些调查以及科学小组在过去进行的实验室和现场实验的结果,都推动了观察结果。

因为传感器(仪器噪声)和行星本身的热辐射强度,通常比数值大几个数量级,所以,在低空间分辨率下,传统的基于功率的技术很难区分热辐射和非热辐射。在密歇根大学开发的一种创新的微波探测器中,行星的非热辐射,可以测量信号的功率和峰度。因为,峰度对非热辐射的存在极为敏感,但对热辐射强度或辐射计接收器增益的变化不敏感。因此,它能够检测出比普通热辐射强度低得多的非热辐射。

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为什么专注于研究沙尘暴能产生的闪电

虽然,科学家们通过欧洲火星快车航天器收集了长达五年的庞大数据,并且,加利福尼亚的艾伦望远镜阵列也收集了三个月的数据,但是,在之后的研究中,尚不能在火星沙尘暴中找到闪电的无线电证据。

于是,为了研究雷电在火星上罕见的原因,科学家们开始专注于研究沙尘暴可能产生的那种闪电。因为,在这些风暴中的沙粒和其他颗粒,都可以通过“摩擦电效应”而产生电荷,这与那些日常静电背后的效果相同。当两个物体反复碰撞、或是相互摩擦的时候,其中一种材料的表面可以从另一物体的表面,通过窃取电子而累积电荷。

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玄武岩的颗粒和闪电所需电荷有何关联

在这项新的研究中,科学家们的试验选用了玄武岩的颗粒,这是一种常见于火星地壳的黑暗火山岩。在此过程中,研究人员将实验室内的气压从0.03毫巴变为80毫巴。并且,在一块振动30分钟的平板上,放置约1至2毫米宽的球形颗粒,以产生摩擦电荷。科学家们从盘子中心的一个洞中,通过提取谷物的方式来测量它们的电荷水平。从火星最高火山峰的不到1毫巴,到红色星球深谷的10毫巴以上,火星的平均气压6毫巴。

而在地球上,海平面的平均大气压则约为1000毫巴。Gerhard Wurm是德国杜伊斯堡埃森大学的行星科学家,也是该研究的主要作者。他表示,在一般情况下,由于火星的大气压力,摩擦带电对砂粒大小的影响最小。所以,在低气压下,电荷很难积聚在玄武岩颗粒上。总而言之,火星气压下谷物上的电荷,至少比测试的最高压力小五倍,并且与地球上海平面的平均大气压相比仍然很小。

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