在火星上发现了独特的绿色光芒–首次绕过地球以外的行星

艺术家对ESA的ExoMars微量气体轨道飞行器在火星大气中探测到绿色氧气的印象。这种散发于火星的白天，类似于从太空围绕地球大气层看到的夜光。

ESA的ExoMars微量气体轨道飞行器在火星大气层中检测到发光的绿色氧气-这是首次在地球以外的行星附近看到这种排放物。

在地球上，极星极光期间，来自行星际空间的高能电子撞击高层大气时会产生发光的氧气。这种由氧气驱动的光发射为极光提供了美丽而独特的绿色色调。

然而，极光只是行星大气发光的一种方式。当阳光与大气中的原子和分子相互作用时，包括地球和火星在内的行星的大气层在白天和黑夜都不断发光。白天和黑夜的发光是由略有不同的机制引起的：黑夜是由于破碎的分子复合而发生的，而白天则是在太阳的光直接激发原子和分子（例如氮和氧）时产生的。

在地球上，绿色的夜光非常微弱，因此最好是从“正面看”的角度观看-正如国际空间站（ISS）上宇航员拍摄的许多壮观图像所描绘的那样。当在其他行星上搜寻时，这种昏暗可能是一个问题，因为它们的明亮表面会淹没它。

随着太阳光与大气中的原子和分子相互作用，气辉发生在地球大气中。在这张图片中，2011年由国际空间站（ISS）上的宇航员拍摄的照片中，在地球的曲线上可见一个绿色的氧气辉光带。从表面上看，北非部分地区可见，尼罗河及其三角洲的傍晚灯光照耀着。

自2016年10月以来一直在火星上运行的ExoMars微量气体轨道仪（TGO）首次在火星上检测到这种绿色辉光。

“地球上看到的最亮的排放物之一是夜光引起的。比利时列日大学的让-克洛德•杰拉德（Jean-ClaudeGérard）是这项新研究的主要作者，该研究发表在自然天文学上。

“不过，据预测，这种排放物在火星上已经存在了40年左右-而且，借助TGO，我们已经找到了它。”

Jean-Claude及其同事使用TGO的特殊观测模式能够发现这种排放。轨道器先进的一套仪器，称为NOMAD（火星发现的天底和掩星术），包括紫外线和可见光谱仪（UVIS），可以在各种配置下进行观测，其中一种可以将其仪器定位为直接指向火星表面–也称为“最低点”通道。

ESA的ExoMars微量气体轨道飞行器在火星大气层中检测到发光的绿色氧气-这是首次在地球以外的行星附近看到这种排放物。

“以前的观测结果没有在火星上捕获到任何种类的绿色光芒，因此我们决定重新定位UVIS天底通道，使其指向火星的'边缘'，类似于您从国际空间站拍摄的地球图像中看到的透视图，”比利时比利时皇家天体空间研究所的合著者安·卡林·万达勒（Ann Carine Vandaele）和NOMAD的首席研究员补充道。

在2019年4月24日至12月1日期间，让-克洛德，安·卡林及其同事使用NOMAD-UVIS每个轨道两次扫描距火星表面20至400公里的高度。当他们分析这些数据集时，他们发现了所有数据集中的绿色氧气排放。

Ann Carine补充说：“在大约80公里的高度，这种辐射最强，并且根据火星和太阳之间不断变化的距离而变化。”

研究行星大气的辉光可以提供有关大气成分和动力学的大量信息，并揭示太阳光和太阳风如何沉积能量-恒星发出的带电粒子流。

为了更好地了解火星上的绿色光芒，并将其与我们在自己星球上看到的光芒进行比较，让-克洛德及其同事进一步研究了它的形成方式。

Jean-Claude说：“我们对这种排放进行了建模，发现它主要以二氧化碳或CO2的形式分解成其组成部分：一氧化碳和氧气。”“我们看到了产生的氧原子在可见光和紫外光下都发光。”

同时比较这两种辐射，可见光的发射强度是紫外线的16.5倍。

Jean-Claude补充说：“火星上的观测结果与先前的理论模型一致，但与我们在地球周围发现的实际发光并不相符，因为地球的可见光发射要弱得多。”“这表明我们有更多的知识要了解氧原子的行为，这对于我们对原子和量子物理学的理解非常重要。”

在ESA的ExoMars示踪气体轨道飞行器上的NOMAD仪器的UVIS通道的白天肢体光谱中检测到氧气排放。不同的颜色表示在火星大气层中不同高度的测量结果。氧气的辉光似乎在80 km处最亮，在120 km附近达到第二个峰值，并在150 km以上消散。这是首次在地球以外的行星附近看到这种辐射。

这种理解是表征行星大气和相关现象（如极光）的关键。通过对火星大气层的绿色发光层的结构和行为进行解读，科学家可以洞悉很大程度上尚未探索的高度范围，并监视其随着太阳活动的变化以及火星沿着其绕着恒星的轨道行进而如何变化。

欧洲航天局TGO的哈坎·斯维德姆（HåkanSvedhem）强调说：“这是在地球以外的另一个星球上观察到这种重要排放物的第一时间，并且这是基于ExoMars微量气体轨道仪上NOMAD仪器的UVIS通道的观测结果的第一个科学出版物。”项目科学家。

“它证明了NOMAD仪器具有极高的灵敏度和光学质量。鉴于这项研究是在火星的白天进行的，这比夜晚的白天明亮得多，因此尤其如此，这使得发现这种微弱的放射物变得更加困难。”

了解火星大气的特性不仅在科学上很有趣，而且对于执行我们发送给“红色星球”的任务也是至关重要的。例如，大气密度直接影响轨道卫星和用于将探测器传送到火星表面的降落伞所经历的阻力。

霍坎补充说：“这种类型的遥感观测，再加上在更高海拔的原位测量，可以帮助我们预测火星大气将如何响应季节变化和太阳活动变化。”“预测大气密度的变化对于即将执行的任务尤其重要，包括ExoMars 2022任务将为探测车和表面科学平台提供探测红色星球表面的能力。”

参考：J.-C.从NOMAD-TGO观测中检测火星白天大气中的绿线发射。 Gérard，S.Aoki，Y.Willame，L.Gkouvelis，C.Depiesse，I.R。托马斯，B.Ristic，A.C。Vandaele，F。洛佩斯·莫雷诺（López-Moreno），贝卢奇（G. Bellucci），洛佩斯·瓦尔维德（M. A.López-Valverde）和贝克曼（B.Beeckman），2020年6月15日，自然天文学。DOI：
10.1038 / s41550-020-1123-2

ExoMars是欧洲航天局和Roscosmos的共同努力。

NOMAD实验由比利时皇家航空航天学院（IASB‐BIRA）领导，西班牙（IAA‐CSIC），意大利（INAF‐IAPS）和英国（开放大学）的Co-PI团队协助进行。该项目感谢比利时科学政策办公室的资助，以及欧洲航天局Prodex办公室，西班牙MICINN通过其国家计划以及英国和意大利航天局的财务和合同协调。