火星尘云中惊现微小闪电，科学家揭秘红色星球的电气奇观

科学家们首次在火星上探测到了微弱的闪电——它们是在NASA的‘毅力’探测器周围发现的，来自尘暴前沿和旋转的尘旋。

发现这些电放电现象解决了一个重大的火星之谜，即氧化剂的来源，比如2003年在火星上发现的过氧化氢。这些氧化剂可以与有机分子反应，可能会破坏生物特征，而闪电引发的其他化学反应则可以生成新的有机分子。

“这令人兴奋，”图卢兹天体物理与行星研究所的巴普蒂斯特·希德对Space.com说。“这为火星研究打开了一个新领域。”

希德带领一组火星探测器科学家寻找隐藏在意想不到的仪器数据中的电放电证据：‘毅力’的麦克风。

希德的团队在29小时的麦克风录音中发现了55个电事件，跨越两个火星年。这些录音每个都有独特的音频特征。最初有一个静电爆发，称为超调（overshoot），持续时间不到40微秒。超调之后是信号的快速下降，持续时间可能为8毫秒，具体取决于麦克风与放电的距离。超调和随后的下降都不是实际的声学噪音：它们是放电产生的磁场对麦克风电子设备的干扰所导致的。音频录音的下一部分是真实的声音。这表现为信号中的第二个响亮峰值，后面跟着较小的峰值，这些是由闪电闪光产生的适度冲击波引起的。

这些电放电现象并不是像我们在地球上看到的那样从天空中劈下来的叉状闪电，因为火星没有雷暴，缺少大气水分。相反，为了让麦克风听到电放电，放电必须离探测器更近。

在地球上，闪电主要是由云中冰粒之间的摩擦引起的。在火星上，是尘埃颗粒之间的摩擦引起的放电。我们在地球上在火山烟羽中看到类似的现象。

然而，地球和火星的条件截然不同，这在它们各自的“击穿阈值”中显而易见。这描述了带电粒子云能够放电的临界点。

“地球上的击穿阈值高于火星，这主要与压力以及大气成分有关，”卡迪夫大学的丹尼尔·米查德告诉Space.com。米查德是一位研究闪电的物理学家，虽然他不是探测器团队的成员，也没有参与这项研究。

地球主要由氮和氧组成的大气和火星主要由二氧化碳大气组成，都是电绝缘材料，这意味着需要积累大量电荷才能克服绝缘效应进行放电。由于地球表面的压力为一个大气压，这意味着闪电必须穿过大量的绝缘大气，因此击穿阈值相当高，每平方米三百万伏。在火星上，表面压力仅为0.006个大气压，电放电需要克服的绝缘大气较少，因此击穿阈值要低得多，约为每平方米15千伏。

“所以我们一般可以预期火星上的闪电会比地球上的弱，”米查德说，他把火星的电放电比作你摩擦气球或走在绝缘地板上时可能感受到的静电冲击。

在“毅力号”探测器的麦克风检测到的55次放电事件中，54次发生在29小时录音期间记录的最强风速的前30%内。这强烈地将放电与能够将尘埃抬升到空中的局部风联系起来，这在尘暴前沿是常见的现象。其中十六次事件恰好与尘旋非常接近“毅力号”探测器经过的时刻重合——测得的最远电放电估计距离“毅力号”仅为6.2英尺（1.9米）。一些放电是由空气中的尘埃颗粒引起的，而少数则是探测器在与空气中的尘埃颗粒碰撞后，电荷达到几千伏特，然后放电到地面。

然而，探测器及其仪器在电气事故方面得到了很好的防护。尽管如此，Chide和探测器团队推测，1971年在尘暴中着陆的苏联火星3号任务，活动仅20秒后就失效，可能是由于电放电造成的损坏。

为了确保未来的任务得到充分保护，麦克风的读数可以为未来的火星任务设计提供指导。“现在我们有了关于放电能量的定量数据，我们将能够调整电子板设计的规格，并可能对宇航员所需的宇航服提出新的要求，”Chide说。

到目前为止，只有麦克风捕捉到了放电的证据。“毅力号”的相机能否捕捉到这些闪电的闪光呢？

“成像放电会很困难，”Chide说。这部分是因为许多放电发生在尘旋最活跃的白天，而那些本来足够明亮的放电可能会被尘埃挡住。闪光也会非常短暂，仅持续微秒，大多数放电的长度只有毫米——最大的放电来自探测器本身，延伸数十厘米到达红色星球的表面。捕捉短暂、快速的电放电需要一台目前我们在火星上没有的高速高分辨率相机。

“希望更先进的相机最终能到达那里，”米查德说。如果行星科学家希望在未来更详细地研究闪电，这现在变得更有可能。

即便如此，这可不是件简单的事。“我们真的不知道该把相机指向哪里，”奇德说。“我们必须非常幸运！”

更直接的兴趣在于闪电与氧化剂（如过氧化氢）的关系。因为这些氧化剂会与有机化合物发生反应并改变它们的化学结构，闪电的存在对寻求火星生物特征的天体生物学家来说是有趣的。从理论上讲，氧化剂浓度高的区域应该经历更多的尘暴和风暴活动，因此会有更多的电放电。例如，古塞夫陨石坑的尘暴活动是2004年“精神号火星探测车”着陆的地方，其活动是杰泽罗陨石坑（“毅力号”所在之处）的二十倍，而在艾利西姆平原几乎没有尘暴活动。这和火星上氧化剂的分布是否一致，科学家们能否通过把寻找生命的任务派往那些尘旋和尘暴较少的火星区域，来提高发现生物特征的机会呢？

“这是个好问题，”奇德说。“量化这种新现象产生的氧化剂数量将是下一步，这需要进行实验室实验和模型研究。”

虽然在气体巨星木星和土星的云层中已经发现了闪电，但这是首次在地球之外的岩石行星上发现电放电现象。这表明类似现象可能在金星上通过尘埃，或在土星的卫星泰坦上通过冰粒发生。

与此同时，火星的放电可能会助长尘暴，因为静电降低了风将尘埃颗粒从表面抬起所需的阈值速度，从而形成了一个正反馈循环：尘埃被抬离表面，变得更加带电，进而帮助更多尘埃进入空气中，依此类推。因此，尘埃的电气化可能在火星的全球尘埃循环中发挥重要作用，从而影响其气候。

每个火星年都有数千个较小的区域性尘暴，这意味着有数千公里的带电尘暴前线可能会闪烁着微小的闪电。电气化的火星的故事可能还没有结束。

这项研究于11月26日发表在《自然》期刊上。