一切始於一陣春風。機遇號火星車用它的機械眼觀察著吹過毅力谷的風將生鏽的火星塵埃吹向空中。在探索這顆紅色星球超過 14 個地球年的時間裡，火星車已經經歷過很多次這種天氣。
但灰塵卻越來越厚。小斑點像野火煙霧一樣在大氣中盤旋，將充滿陽光的正午變成黃昏，然後是夜晚。一週之內，沙塵暴的面積超過美國本土面積的兩倍最終包圍了整個地球，只允許正常光量的 5% 到達機遇號的太陽能電池板。火星車安靜了。
美國太空總署位於加州帕薩迪納的噴射推進實驗室的克里·比恩(Keri Bean) 表示：「情況變得如此糟糕、如此之快，我們甚至沒有時間做出反應。」就在2018年5 月的風暴之前，比恩加入了機遇號的火星車駕駛團隊。
像那樣的沙塵暴，永遠扼殺機會，是這顆紅色星球上最戲劇性和最不可預測的事件（SN：2019 年 3 月 16 日，第 19 頁7）。這樣的風暴會使登陸火星的過程變得更加危險，並且肯定會給未來的人類探險家帶來困難。
儘管進行了近 50 年的研究，科學家們仍然缺少一些關鍵數據，這些數據有助於解釋塵埃如何被踢到空氣中形成全球範圍內的風暴，以及是什麼讓它一次循環數週或數月。
馬裡蘭州格林貝爾特美國宇航局戈達德太空飛行中心的行星氣象學家斯科特·古澤維奇說：「我們只是不明白火星上的沙塵暴是如何形成的。」歷史表明，某些地區和季節比其他地區和季節更容易出現沙塵暴。 “除此之外，我們……是盲目的。”
美國、中國和阿拉伯聯合大公國定於今年夏天發射的火星任務將有助於解開這個緊迫的謎團。 NASA 的新型漫遊車，毅力號將攜帶一組天氣感測器稱為 MEDA，即火星環境動力學分析儀。這些感測器將建立在數十年的火星探索基礎上，並填補缺失的拼圖。
休士頓月球與行星研究所的行星科學家 Germán Martínez 表示，「預測塵埃是 MEDA 的最終目標」。 MEDA 將收集的數據將是「迄今為止對該主題最實質的貢獻」。
灰塵，到處都是灰塵
塵埃對於火星上的天氣的重要性就像水對地球上的重要性一樣。由於沒有海洋、稀少的水蒸氣和稀薄的大氣層，火星的天氣可以在大約半個火星年的時間裡單調平靜，持續近 687 個地球日。但當這顆紅色行星的軌道靠近太陽時，沙塵暴季節就開始了。
在為期 10 個月的沙塵季節，相當於南半球的春季和夏季，額外的陽光使大氣變暖。當空氣從溫暖地區移動到涼爽地區時，這種溫暖會產生強風。這些風揚起更多的灰塵，灰塵吸收陽光並使大氣變暖，產生更強的風，揚起更多的灰塵。
有一個季節
火星的塵土飛揚的季節從南方春季開始一直持續到南方夏季結束（較粗的藍線），此時這顆紅色行星的軌道最接近太陽。額外的陽光使大氣變暖，引發反饋迴路，將灰塵提升到天空並使其在全球範圍內循環。
風暴有不同的規模：局部風暴可以覆蓋阿拉斯加大小的區域，持續長達三天火星日（每天持續約 24.5 小時）；全球風暴可以席捲地球數月。擊敗機遇號的風暴從五月底持續到七月底。當幾個較小的風暴合併時，可能會產生這樣的全球風暴。
自 1971 年第一個長期機器人訪客抵達火星以來，全球沙塵暴一直影響著火星探索，當時美國太空總署的水手 9 號軌道飛行器發現火星表面完全被遮蔽。機遇號及其孿生火星車勇氣號均在 2007 年的全球沙塵暴中倖存下來，但 2008 年一場大型區域性沙塵暴結束了鳳凰號登陸器的任務。
從來沒有一次火星任務不擔心灰塵。
農民的年鑑
幸運的是，水手九號是軌道飛行器，沒有著陸計畫。它只需要等待天空晴朗就可以開始拍攝火星表面的照片。但 1971 年的同一場風暴可能是導致幾乎同時抵達的兩架蘇聯登陸器被摧毀的罪魁禍首。
必須著陸才能完成工作的太空船不能只是等待更好的時機。地球和火星之間任務的發射窗口大約每 26 個月開放一次。負責「毅力號」進入、下降和著陸任務的噴射推進實驗室的艾倫·陳（Allen Chen）表示，設計著陸系統的工程師需要知道太空船到達目的地時將面臨什麼條件。
最重要的因素是大氣的密度。陳說，儘管火星大氣層對行星表面施加的壓力僅為地球壓力的 1%，但稀薄的火星空氣和吹過火星的風都會減慢太空船的速度並影響其著陸地點。
毅力號將在跳傘穿過大氣層時拍攝地面照片，並將這些圖像與由美國宇航局火星勘測軌道飛行器的圖像製作的機載地圖進行匹配。根據這些詳細信息，飛行中的導航系統將引導漫遊車前往安全著陸點，幫助漫遊車在某個區域內著陸寬25公里——有史以來最精確的火星登陸。
「但這取決於能否看到地面，」陳說，也不能讓灰塵遮擋視野。
為了讓火星車著陸，陳這樣的工程師依靠過去來預測未來——類似於地球上的天氣預報，但數據較少。聖地牙哥馬林太空科學系統公司的大氣科學家布魯斯·坎托（Bruce Cantor）自稱為火星氣象員，他提出了一個火星天氣預報每週都會進行一次，直到 2019 年 9 月。 「這幾乎就像我腦子裡的農民年鑑，」他說。
坎托自 1999 年以來對火星登陸的預測“相當準確”，他說，他還誇口說，他預測了三天內結束鳳凰號任務的風暴。他說，更高的準確性並不能拯救菲尼克斯。由於冬季陽光水平較低以及太陽能板上灰塵堆積，著陸器的電池電量已經很低。 「這只是什麼風暴將導致任務結束的問題，」他說。
他預計 2021 年 2 月毅力號著陸時天空晴朗。雜誌報道伊卡洛斯2019 年 3 月。
但為了以防萬一，陳的團隊對導航系統進行了訓練，以“應對灰塵較多的情況”，陳說。
氣象站星座
隨著火星任務變得越來越複雜，特別是當美國太空總署和其他團體考慮派遣人類探險家時，為沙塵暴做好準備變得更加緊迫。
「有一天，有人要去火星，他們會想知道風暴何時何地發生，」坎託說。 “這時候這些東西就變得非常重要了。”
康托爾會知道的。十多年前，當他在南加州測試不同的漫遊車系統時，他跳進了 2 公尺高的塵暴，只是為了看看它會是什麼感覺。 「這不是我最明智的舉動之一，」他說。他沒有受傷，但「感覺不太好。感覺就像被噴砂了一樣。
保護火星宇航員的不僅僅是短褲和T 卹，但灰塵很容易侵入人類棲息地並堵塞空氣過濾器，或者如果宇航員吸入灰塵，就會損害他們的肺部。 ，使太空人在執行任務期間生病。
太空人需要知道何時待在室內。預測風暴的部分問題在於完全缺乏數據。對於地球天氣，氣象學家使用數千個地面氣象站以及來自衛星、氣球和飛機的資料。火星只有六顆活躍衛星，由美國太空總署以及歐洲和印度航太機構營運。只有兩套氣象儀器從火星表面發出報告：一套在好奇號火星車上，自2012年以來一直在收集數據(SN：2015 年 5 月 2 日，第 15 頁24），以及 2018 年隨洞察號著陸器一起抵達的幾乎相同的套件。
收集灰塵
好奇號火星車在這顆紅色星球的塵埃大氣層中生活了超過7 個地球年，對它造成了影響，從好奇號火星車在2012 年10 月（執行任務的第84 個火星日，左）和2020 年2 月（火星日2,687）拍攝的「自拍照」中可以看出， ， 正確的）。
但這兩個太空船其實是鄰居，這是了解整個地球的一大弱點。 「這就像在華盛頓特區設立一個氣象站，在布法羅設立另一個氣象站一樣，」古澤維奇說。
堅持不懈將有助於填補空白。中國首個火星探測器天問一號也可能如此，該探測器將於 7 月發射，配備測量氣溫、壓力和風的儀器。俄羅斯和歐洲的 ExoMars 任務，計劃於 2022 年推出，包括一個名為 Kazachok 的著陸器，配備了氣象和灰塵感測器（SN 線上：2020 年 3 月 12 日）。
阿聯酋的阿聯酋火星任務（稱為「希望」）將從空中觀測天氣，包括風暴，以及大氣與地面的相互作用。在火星軌道上運行一年的時間裡，「希望號」將有助於繪製一幅關於大氣層每天和季節之間如何變化的全球圖景。
馬德里天體生物學中心的何塞·A·羅德里格斯·曼弗雷迪(José A. Rodríguez Manfredi) 表示，只要再多幾個氣象站就可以起到很大的作用。的氣象感測器）的首席研究員。 “幾年後我們將在火星上建立一個迷你網絡。”
但地面上的四、五個氣象站可能還不夠。為了可靠地預測沙塵暴，火星科學家需要的是一個始終收集資料的全球網路。
為了降低此類網路的成本，古澤維奇建議弄清楚哪些測量「會為我們帶來最大的收益」。對於地球，美國宇航局和其他機構使用一種稱為“觀測系統模擬實驗找出哪些變數對於預測天氣最重要。然後，衛星被設計為專注於那些最有價值的觀測。古澤維奇說，從未對火星進行過此類研究，但唯一的障礙是資金。
他說，「火星大氣科學家一直在呼籲」進行此類實驗。 「在人類前往火星之前，我們不會複製地球的觀測網絡。這不會發生…但也許我們可以做一些在財務和技術上合理的事情，真正產生影響，讓我們能夠提前幾天預測未來。
隨風飄揚
馬丁內斯說，火星預測也因缺乏基本資訊而受到影響。需要多大的風才能吹起灰塵？一旦灰塵在空氣中傳播，會發生什麼事？
這就是毅力會發光的地方。火星車將對火星上的風速和風向進行迄今為止最好的直接測量，特別是將灰塵向上揚起的垂直風。
長期以來，科學家一直在努力了解灰塵是如何被提升到空氣中的。 「這似乎不可能，」古澤維奇說。 “大氣層太稀薄，一粒灰塵或沙子都那麼重，根本不應該起作用。”過去 20 年的觀察和實驗表明，一旦沙粒開始沿著表面彈跳，它們就會撞到其他沙粒，並將較小的顆粒向上撞擊。但仍無法判斷哪些彈跳顆粒會引發風暴，或哪些風暴將席捲全球。
馬丁內斯說，幾十年來，火星氣候學家一直試圖進行詳細的風力測量，但多次遭遇厄運。只有五次地面任務——1976年的維京1號和2號著陸器、1997年的探路者著陸器以及正在進行的好奇號和洞察號任務——提供了有關近地表風速和風向的有用數據。即便如此，結果也好壞參半。
「可以說，火星上最好的風力記錄仍然是 40 年前維京人的記錄，」馬丁內斯說。好奇號應該透過一對遠離火星車頸部的電加熱吊桿來直接測量各個方向的風。 「我們抱有很大的期望，」馬丁內斯說。
但火星車自行拍攝的照片顯示，火星車降落時，一根吊桿受損，無法使用。在好奇號任務的前 1,490 個火星日中，火星車只有在迎面吹風時才能進行測量。然後，2016 年 10 月，第二次繁榮爆發。 4 月份，研究人員提出了一種破解好奇號溫度感測器的方法古澤維奇表示，目前還沒有計劃使用這種方法來取得風數據。
這就只剩下洞察號了，但它的風讀數因著陸器的其他部分阻礙氣流而變得混亂。這些讀數仍然有用，但 MEDA 團隊希望做得更好。
借鑒「洞察號」和「好奇號」的經驗，毅力號的 MEDA 將配備更多的風感測器，距離火星車主體更遠。在漫遊車安全著陸之前，感測器將受到防護罩的保護。
「我們非常興奮，」馬丁內斯說。 「以前從未在火星上測量過垂直風。我們就這麼做。
測量風速將幫助科學家確定風必須吹多大才能揚起灰塵，這是引發沙塵暴的第一步。
這個數字引起了機遇號火星車前操作員比恩的個人共鳴。她的第一個輪班時間正好是全球沙塵暴任務結束前兩週。她告訴流動站用它的手臂擦過岩石的表面。
「我的同事指責我引發了整個蝴蝶效應，」她說。 “你拂過表面，”他們開玩笑說，“灰塵揚起，整個沙塵暴都是你引發的。”
在其任務結束報告，機遇號團隊承認，他們永遠不會真正知道是什麼結束了機遇號近 15 年的運作。一種可能是太陽能板上的灰塵太厚，在平靜的季節裡微風無法吹走灰塵。
比恩說，一個潛在的解決方案是設計未來的漫遊車，使其太陽能板振動得足夠快，以使灰塵飛走。一旦人類來到地球上，他們就可以用手臂清除灰塵。
在機遇號正式宣布失蹤前一週左右，比恩決定紀念這輛火星車。 「我一直喜歡紋身，但沒有什麼能對我說話，」她說。在大學裡，她研究了火星的大氣不透明度——可以穿透大氣塵埃的光量，用希臘字母τ表示。因此，比恩在她的手臂上紋了一個紋身，這是機會號發送到地球的最後一次測量結果：“τ=10.8。”這代表中午的夜空。
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