这张图片展示了艺术家对宇航员在火星极地冬季地区夜间夜光的印象。当大气中的氧原子结合形成氧分子时，就会发出绿光。这张模拟图像是用美国宇航局机遇号火星车的全景相机拍摄的火星表面的真实但较暗的图像，以及与氧气发射的真实颜色相对应的合成夜光创建的。来源:NASA/JPL-Caltech/康奈尔大学/亚利桑那州立大学- E. W. Knutsen
欧洲航天局的ExoMars微量气体轨道飞行器在火星大气中发现了绿色的夜光，为未来的火星任务提供了关于大气过程和潜在照明的关键数据。这种现象与极光不同，标志着我们对火星的了解取得了重大进展。
当未来的宇航员探索火星的极地地区时，他们将看到一道绿光照亮夜空。欧洲航天局的外火星痕量气体轨道器(TGO)任务首次在火星大气中探测到可见的夜光。
在晴朗的天空下，这种光芒的亮度足以让人类看到，也足以让漫游者在黑夜中导航。在地球上也可以观察到夜光。在火星上，这是预料之中的事情，但直到现在才在可见光下观察到。
火星上的夜光
当两个氧原子结合形成一个氧分子时，大气中的夜光就发生了，距离行星表面大约50公里(~30英里)。
氧原子已经开始了一段旅程:当阳光给二氧化碳分子提供能量，使它们分裂时，它们在火星的向阳面形成。当氧原子迁移到夜晚的一面，不再被太阳激发时，它们会重新组合，并在较低的高度发光。
这个动画描述了被认为可以解释火星夜光的过程。当暴露在海拔70公里以上的太阳紫外线辐射下时，二氧化碳分子——火星大气的主要成分——会分裂成一氧化碳和氧原子。这些氧原子(被描绘成红色球体)由一个巨大的哈德利细胞运输，哈德利细胞的特征是在白天的夏季极上方有一个上升分支，在冬季极上方有一个下降分支，冬季极位于夜间半球。在30-50千米的高空，氧原子在哈德利细胞的下降分支中重新组合成氧分子，并发出红外辐射。来源:欧洲航天局
“这种发射是由于在夏季大气中产生的氧原子的重组，并被风带到冬季高纬度地区，即火星大气中海拔40至60公里的地方，”来自比利时里昂热大学大气与行星物理实验室的研究员劳里安·索雷特解释说，他是在《自然天文学》上发表这一发现的团队成员之一。
夜光的亮度足以照亮未来的道路，就像地球上月光下的云一样明亮。
这项新研究的主要作者、里昂热大学的行星科学家让-克洛德·格萨德说:“这些观察结果对未来的火星之旅来说是意想不到的，也是有趣的。”
当太阳光与大气中的原子和分子相互作用时，地球大气中就会产生气辉。在这张2011年由国际空间站(ISS)的宇航员拍摄的照片中，可以看到地球曲线上的一条绿色氧气光带。从表面上看，北非的部分地区是可见的，夜晚的灯光沿着尼罗河及其三角洲照耀。来源:美国国家航空航天局
沿着绿色发光之路走
这个国际科学小组对之前使用火星快车的发现很感兴趣，该发现是在十年前用红外波长观察到夜光的。微量气体轨道器随后在2020年探测到火星白天上方发光的绿色氧原子，这是第一次在地球以外的行星周围看到这种日光发射。
这些原子也会移动到夜侧，然后在较低的高度重新组合，从而在今天发表的新研究中检测到可见的夜光。
ESA的ExoMars痕量气体轨道器探测到火星大气中氧气的绿色辉光。在火星的白天一侧发现的这种辐射，与从太空中看到的地球大气层周围的夜光相似。来源:欧洲航天局
TGO在400千米的高空环绕这颗红色星球运行，能够利用NOMAD仪器的紫外可见通道监测火星的夜间情况。该仪器覆盖了从近紫外线到红光的光谱范围，并朝向这颗红色星球的边缘，以便更好地观察上层大气。
NOMAD实验由比利时皇家空间航空研究所领导，与来自西班牙(IAA - CSIC)、意大利(INAF - IAPS)和英国(开放大学)等国的团队合作。
科学价值
夜光是大气过程的示踪剂。它可以提供关于难以测量的大气区域的组成和动力学以及氧密度的丰富信息。它还可以揭示太阳的光和太阳风(从我们的恒星发出的带电粒子流)是如何沉积能量的。
从太空拍摄的银河系和地球在国际空间站外合影。在这幅照片中，银河系延伸到地球边缘曲线的下方，同时也记录了微弱的绿色气辉。星系中央凸起的星野被模糊的星际尘埃的黑暗裂缝切割。这张照片是由美国宇航局宇航员斯科特·凯利于2015年在太空执行为期一年的任务时拍摄的。图片来源:NASA/Scott Kelly
了解火星大气的特性不仅在科学上很有趣，而且对探索这颗红色星球表面的任务也很关键。例如，大气密度直接影响轨道卫星和用于向火星表面发射探测器的降落伞所承受的阻力。
夜光vs极光
夜光在地球上也可以观测到，但不要与极光混淆。极光只是行星大气发光的一种方式。
火星上和地球上一样，当来自太阳的高能电子撞击上层大气时，就会产生极光。它们随时间和空间的变化而变化，而夜光则更为均匀。夜光和极光都可以呈现出各种各样的颜色，这取决于不同高度的大气气体含量。
我们星球上的绿色夜光非常微弱，所以最好从“侧面”的角度看——正如宇航员从国际空间站拍摄的许多壮观的照片所描绘的那样。
欧洲航天局宇航员蒂姆·皮克在国际空间站执行为期六个月的“原理”任务时拍摄的延时视频。这位英国宇航员评论道:“国际空间站看到的‘极光升起’——看到尽头的两颗卫星了吗?每隔一秒拍摄的延时视频播放速度提高25倍。”信贷:ESA / NASA
参考文献:“用微量气体轨道飞行器上的NOMAD光谱仪观测火星O2可见夜光”，作者:j.c。gsamrard, L. Soret, I. R. Thomas, B. Ristic, Y. Willame, C. Depiesse, A. C. Vandaele, F. Daerden, B. Hubert, J. P. Mason, M. R. Patel和M. A. López-Valverde, 2024年11月9日，《自然天文学》。DOI: 10.1038 / s41550 - 023 - 02104 - 8
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