研究者：火星全球性塵暴不只是遮天蔽日，它還可能讓低層大氣悄悄帶上電

假如你正站在火星赤道附近的荒原上，頭頂是肉桂色的薄薄天空。遠(yuǎn)方的地平線忽然泛起一團(tuán)渾濁的黃云，像有人在天邊抖開一條舊毛毯。幾個(gè)小時(shí)后，整個(gè)天穹都被碾成了土黃色，細(xì)小的塵粒像億萬枚砂紙鉆進(jìn)儀器縫隙、糊住太陽能電池板，一切光學(xué)信號都被吞沒——你正遭遇的，就是火星最有名的脾氣：全球性塵暴。

對于這種鋪天蓋地的塵暴，行星科學(xué)家早已不陌生。地球、土衛(wèi)六泰坦和火星，是目前已知太陽系中僅有的三個(gè)會刮起活躍塵暴的天體。但火星的姿態(tài)最為霸道：它的塵暴可以一口氣包裹整顆星球，讓地表完全“隱身”，連陽光都射不進(jìn)來。長久以來，科學(xué)界擔(dān)心這種遮天蔽日的效應(yīng)會拖垮探測器和未來載人任務(wù)。然而，一項(xiàng)新研究悄悄告訴我們，除了物理遮擋和視野丟失，火星的大塵暴可能還藏著一重看不見的麻煩——它會讓低層大氣悄悄帶上電，變成一種結(jié)構(gòu)化的靜電環(huán)境。

這份研究來自阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校（UAH）與NASA馬歇爾太空飛行中心的三位科學(xué)家，成果前不久發(fā)表在《行星科學(xué)雜志》上。領(lǐng)銜作者是UAH空間科學(xué)系三年級博士生查利·伊多薩·烏加。他們并沒有去火星現(xiàn)場插一根電極，而是鉆進(jìn)了一個(gè)名叫“火星氣候數(shù)據(jù)庫v6.1”的公開高分辨率天氣數(shù)據(jù)集，模擬了火星第34年（Martian Year 34）的大氣狀態(tài)。

先解釋一下“火星年”這個(gè)概念。火星繞太陽一圈要687個(gè)地球日，比我們的一年長了將近一倍。科學(xué)界從2000年開始為火星“紀(jì)年”，并把起始點(diǎn)定在1955年4月11日——因?yàn)榫驮谀侵蟛痪茫?956年火星上刮起了一場著名的全球性塵暴。以此為參照，火星第34年對應(yīng)的是2017年5月5日到2019年3月23日。而在這期間，2018年夏天恰好爆發(fā)了一次波及全火星的超級塵暴。換句話說，研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)的，正是那場格外令人難忘的大風(fēng)沙。

他們發(fā)現(xiàn)，這場塵暴在火星低層大氣中催生出了電場——嚴(yán)格來說，是“接近擊穿條件”的電場。換言之，大氣里的電荷分離現(xiàn)象持續(xù)存在，而且隨高度和局部區(qū)域不斷變化，某些高度層中仿佛埋著一層看不見的靜電繃帶，隨時(shí)可能釋放。烏加對此的表述格外克制卻意味深長：“我們的研究并沒有去量化某臺探測器、某個(gè)棲息艙或某套通信系統(tǒng)面臨的具體風(fēng)險(xiǎn)。我們只是展示出，在第34次火星年的那場全球塵暴期間，火星低層大氣出現(xiàn)了局部化和隨高度變化的區(qū)域，電荷分離能在其中持續(xù)存在，而模擬出的電場也逐漸逼近那種有利于發(fā)生擊穿的條件。”

這意味著，未來的火星探測規(guī)劃必須把靜電環(huán)境也寫進(jìn)威脅清單，而不只是老一套的大氣密度、升降溫幅度、能見度。烏加強(qiáng)調(diào)：“對未來的火星探索而言，大型塵暴不應(yīng)只被當(dāng)作大氣、熱力和可見度災(zāi)害來評估，它們同時(shí)還是一種結(jié)構(gòu)化的靜電環(huán)境。”

塵暴帶上電這件事，其實(shí)在地球上也有雛形。干燥地區(qū)的沙塵暴摩擦起電并不稀奇，但火星大氣稀薄，表面塵埃更細(xì)、更干燥，一旦被狂風(fēng)卷起，顆粒之間的碰撞與摩擦所形成的電荷分離遠(yuǎn)比地球更復(fù)雜。何況火星全球性塵暴的空間尺度和持續(xù)時(shí)間都是地球難以企及的。這種規(guī)模之下的靜電結(jié)構(gòu)，可能會給各種電子設(shè)備帶來潛在的困擾：比如在金屬部件之間感生電壓、干擾無線電通信，甚至讓精密傳感器暫時(shí)“失明”。雖然研究團(tuán)隊(duì)沒有給出某個(gè)具體設(shè)備會被電到冒煙的結(jié)論，但“接近擊穿條件”這幾個(gè)字本身就像掛在火星地平線上的一盞黃燈。

說到2018年那場大塵暴，它不僅僅是個(gè)完美的研究樣本，更是一段殘酷記憶的背景板。當(dāng)時(shí)NASA的好奇號核動力火星車正在蓋爾撞擊坑里慢悠悠散步，依靠放射性同位素供電的好處讓它不受陽光影響，成功記錄下了塵暴的演進(jìn)過程。可它的老前輩——依靠太陽能電池板的機(jī)遇號，運(yùn)氣就沒那么好了。那場遮天蔽日的塵暴讓機(jī)遇號的電池電量不斷走低，最終在2018年6月10日發(fā)回最后一條信息后便再沒醒來。一個(gè)在火星上跑了近15年、本來只有90個(gè)火星日設(shè)計(jì)壽命的傳奇探測器，就這樣被一粒粒塵埃按下了結(jié)束鍵。過去我們習(xí)慣把原因全部歸結(jié)為太陽能板被遮蔽，而現(xiàn)在的新研究仿佛在提醒：或許在那片混沌的土黃色天空下，還有一種看不見的電場在四處游蕩，無形中給垂死的機(jī)遇號多添了一層潛在的壓力。

當(dāng)然，要明確的是，新研究并不是在說機(jī)遇號是被電擊致死的，也沒有給出任何直接證據(jù)表明2018年的那場塵暴對在役設(shè)備造成了靜電故障。它只是從一個(gè)全新視角，重新打量了人類每次抬頭仰望火星時(shí)都想忽略的那個(gè)事實(shí)：這個(gè)星球的環(huán)境復(fù)雜得遠(yuǎn)超我們的清單。當(dāng)我們將來把更精密的著陸器、基地供電網(wǎng)絡(luò)和宇航員送上火星時(shí)，需要對抗的不只是嚴(yán)寒和低壓，還有那種可能藏在漫天黃沙里的、尚未完全量化的靜電暗流。

值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)所依賴的火星氣候數(shù)據(jù)庫與一般通用環(huán)流模型（GCM）模擬不同，它基于長期大氣模擬結(jié)果并結(jié)合少量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行過校正，能夠提供水平分辨率較高的格點(diǎn)天氣場。這就讓原本抽象的電荷分離過程，第一次在數(shù)據(jù)層面顯現(xiàn)出某種有規(guī)律的結(jié)構(gòu)——不是均勻分布的，而是像地形一樣隨局部溫度、風(fēng)場和塵埃濃度一起起伏。這種精細(xì)度讓“接近擊穿”的說法有了更踏實(shí)的物理基礎(chǔ)，而不只是從公式里推出來的一個(gè)可能性。

接下來的問題便是：下一次火星全球性塵暴會是什么時(shí)候？科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們大致存在季節(jié)性窗口，例如南半球春夏季是易發(fā)期。第34年的那場屬于典型的大規(guī)模事件，而按照過去的統(tǒng)計(jì)尺度，每個(gè)火星年大約會出現(xiàn)一次區(qū)域性塵暴升級為全球性塵暴的概率，但并非每年都有。這也就意味著，未來的軌道或地面探測任務(wù)一旦趕上“大年”，就必須把靜電防護(hù)列入預(yù)案。防塵罩、加熱器、抗靜電涂層，甚至接地設(shè)計(jì)，都可能從錦上添花變成剛需。

再往遠(yuǎn)一點(diǎn)想，這份研究的潛臺詞其實(shí)也波及了載人登陸計(jì)劃。人類宇航員穿著加壓服在塵暴中行走，服裝表面與塵埃的反復(fù)摩擦?xí)粫e累靜電？返回居住艙時(shí)，電荷會不會帶來卸放風(fēng)險(xiǎn)？呼吸的濾網(wǎng)、通信天線、艙外實(shí)驗(yàn)設(shè)備，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能成為靜電荷的收集點(diǎn)。這些問題目前還沒有答案，但烏加團(tuán)隊(duì)的工作至少給出一張起步的地圖：靜電環(huán)境不是憑空想象的，而是在真實(shí)的大氣演變中可以被模擬和被描繪的結(jié)構(gòu)。

科學(xué)最迷人的地方，往往不是給出一個(gè)確定的答案，而是翻開一頁以前以為空白的清單，告訴你上面其實(shí)還寫著字。火星塵暴過去是劇作家眼中荒原的怒號，是工程師手里太陽能功率的衰減曲線，現(xiàn)在又多了一個(gè)身份：一張帶電的網(wǎng)，懸在未來的遠(yuǎn)征之路上。知道它在哪兒、可能什么強(qiáng)度，就算還沒有破解之法，也至少能讓我們下次望向那顆紅色星球時(shí)，除了感嘆它的壯麗，還多一分小心。