摘要
火星上的全球性沙尘暴很罕见1，2但可以影响火星大气几个月。它们会引起大气动力学的变化和大气膨胀3.这主要是由于太阳对尘埃的加热3.．反过来，大气动力学的变化会影响大气水蒸气的分布，对火星上的大气光化学和气候有潜在的影响4．最近对沙尘暴期间火星大气中水蒸气丰度的观测显示，高空大气中水蒸气的增加在北纬高纬度地区更为明显5，6，以及低纬度地区水柱的减少7，8．在这里，我们介绍了由ExoMars微量气体轨道飞行器上的NOMAD和ACS仪器获得的全球沙尘暴开始时的灰尘、水和半重水(HDO)的同步高分辨率测量。我们报告了HDO/H的垂直分布2从行星边界层到80公里高度的O比(D/H)。我们的研究结果表明，在沙尘暴发生之前，在40公里以上的高度，HDO丰度已降低到无法探测的水平。HDO的减少与水冰云的存在同时发生。在风暴期间，H2在海拔40至80公里的高度观测到O和HDO。我们认为，这些丰度的增加可能是沙尘暴期间温度升高的结果，造成了更强的大气环流，并阻止了冰云的形成，这可能会通过重力下降和随后的冰晶升华将水蒸气限制在较低的高度3.．H2在沙尘暴的发展过程中，O和HDO的丰度在几天内就出现了，这表明沙尘暴对火星大气产生了快速的影响。
这是订阅内容的预览，通过你所在的机构访问
相关的文章
引用本文的开放获取文章。
火星的等离子体系统。协调多点任务的科学潜力:“下一代”
实验天文学开放获取2021年11月13日
大沙尘暴期间火星大气中的沙尘潮和快速经向运动
自然通讯开放获取2020年1月30日
访问选项
订阅《自然》+
立即在线访问《自然》和其他55种《自然》杂志
29.99美元
每月
订阅期刊
获得1年的完整期刊访问权限
199.00美元
每期仅需3.90美元
所有价格均为净价格。
增值税稍后将在结帐时添加。
税务计算将在结账时完成。
买条
在ReadCube上获得时间限制或全文访问。
32.00美元
所有价格均为净价格。
数据可用性
由NOMAD和ACS仪器生成并在本研究中分析的数据集将在ESA PSA存储库中提供，https://archives.esac.esa.int/psa，在专利期后。本研究直接使用的数据集，包括用于图表的数据，可根据合理要求从相应作者处获得。
代码的可用性
用于计算尘埃/气溶胶光学深度的代码如图所示。1可根据通讯作者的要求提供。用于逆NOMAD和ACS光谱并推导密度剖面的代码已与PSG工具进行了良好的比较，该工具可在https://psg.gsfc.nasa.gov/这也是这项研究的一部分。检索代码的一个版本可在https://psg.gsfc.nasa.gov/helpatm.php#retrieval．
改变历史
4月17日
作者Cathy quentin - nataf的姓氏被拼错了“quentin - nata”，作者Ehouarn Millour和Roland Young从ACS科学团队列表中消失了，作者和隶属关系列表也有了微小的变化;见所附修正案。这些错误已在网上更正。
参考文献
雪莉，J. H.，纽曼，C.，米什纳，M.和理查森，M.在大气环流模式中火星全球沙尘暴发生的历史记录的复制。伊卡洛斯317， 197-208(2019)。
Montabone, L.等。火星8年尘埃光学深度气候学。伊卡洛斯251， 65-95(2015)。
哈伯利，R. M.，克兰西，R. T.，遗忘，F.，史密斯，M. D.和祖瑞克，R. W.。火星的大气和气候(剑桥大学出版社，剑桥，2017)。
Daerden, F.等人。用gem -火星环流模型进行火星大气化学模拟。伊卡洛斯https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.02.030(在媒体上)。
Fedorova, A.等人。2007年全球沙尘暴期间火星中层大气中的水蒸气。伊卡洛斯300， 440-457(2018)。
Heavens, n.g.等。沙尘暴中的深对流增强了火星上氢气的逸出。Nat。阿斯特朗．2， 126-132(2018)。
Smith, M.， Daerden, F.， Neary, L. & Khayat, A.火星上一氧化碳的气候学和水汽的年际变化，由CRISM观测到，并由gemi -火星环流模型模拟。伊卡洛斯301， 117-131(2018)。
Trokhimovskiy, A.等。由SPICAM红外光谱仪绘制的火星水蒸气图:火星五年的观测。伊卡洛斯251， 50-64(2015)。
Sanchez-Lavega等人。火星快车上的VMC研究了2018年火星南极上空的全球沙尘暴。2018年AGU秋季会议, abstr。p43k - 3885(2018)。
斯科菲尔德，J.，克莱因波尔，A.，卡斯，D. M.和麦克里斯，D.火星气候探测仪-火星6年的全球大气观测。在第42届COSPAR科学会议abstr。b4.1 18 - 0002(2018)。
史密斯，m.d.忒弥斯对火星行星环绕沙尘暴2018a的观测。在2018年AGU秋季会议abstr。p43j - 3865(2018)。
瓦萨瓦达，A.好奇号火星车对了解火星大气的贡献。在第42届COSPAR科学会议abstr。c3.1 18 - 0008(2018)。
Guzewich, S.， Talaat, E.， Toigo, A.， Waugh, D. W. & McConnochie, T.火星上的高空尘埃层:用热发射光谱仪观测。j .地球物理学。研究行星118， 1177-1194(2013)。
Heavens, n.g.等。热带火星大气中分离尘埃层的季节和日变化。j .地球物理学。研究行星119， 1748-1774(2014)。
Määttänen, A.等。从MEx/SPICAM紫外线太阳掩星观测火星上气溶胶垂直分布的完整气候学。伊卡洛斯223， 892-941(2013)。
王，C.等。LMD火星GCM中火星火箭沙尘暴的参数化:建模细节和验证。j .地球物理学。Res．123， 982-1000(2018)。
非局部深层输运对地球、火星和土卫六大气中能量学、动量、化学和气溶胶分布的潜在重要性。星球。空间科学．60， 147-154(2012)。
斯皮加，A.，福雷，J.，马德琳，J. B.， Määttänen, A. & Forget, F.火星大气中的火箭尘暴和分离尘埃层。j .地球物理学。Res．118， 746-767(2013)。
Daerden, F.等人。火星上的太阳能自动扶梯:通过辐射加热自动提升尘埃层。地球物理学。卷．42， 7319-7326(2015)。
克兰西，R. T.等。2001年火星沙尘暴期间大气粉尘负荷向高海拔地区的扩展:MGS TES肢部观测。伊卡洛斯207， 98-109(2010)。
Sefton-Nash, E.等人。气候学和一阶组成估计从火星气候探测仪肢谱的气候学。伊卡洛斯222， 342-356(2013)。
McCleese, D. J.等。由火星气候探测器观测到的火星低层和中层大气的结构和动力学:纬向平均温度、尘埃和水冰气溶胶的季节性变化。j .地球物理学。Res．115， e12016(2010)。
Chaffin M. S, Deighan, J. Schneider, N. M. & Stewart, a.i.f.高海拔水引起的火星原子氢逃逸升高。Nat。Geosci．10， 174-178(2017)。
忘了吧，f等人。改进了火星大气从表面到80公里以上的一般环流模型。j .地球物理学。Res．104， 24155-24175(1999)。
奈里，L.和Daerden, F.火星的gem -火星环流模型:描述和评价。伊卡洛斯300， 458-476(2018)。
斯蒂尔，L.等。从热发射谱仪数据同化火星上水蒸气的季节循环。伊卡洛斯237， 97-115(2014)。
刘易斯，S. R.等。火星上的夏至暂停:1。行星波再分析。伊卡洛斯264， 456-464(2016)。
Lammer, H.等人。除气历史，火星大气逃逸和水库存。空间科学。牧师．174， 113-154(2013)。
Encrenaz等人。利用SOFIA上的EXES对火星上D/H的新测量。阿斯特朗。12,54．612， a112(2018)。
青木，S.等。HDO/H的季节变化2火星大气中O的比例在北方春中期和北方夏初。伊卡洛斯260， 7-22(2015)。
维兰纽瓦，G.等人。火星大气中的强水同位素异常:探测电流和古水库。科学348， 218-221(2015)。
韦伯斯特等人。CO中H、C、O的同位素比值2和H2火星大气中的O。科学341， 260-263(2013)。
Montmessin, F.， Fouchet, T. & Forget, F.火星大气中HDO的年度周期建模。j .地球物理学。Res．110， e03006(2005)。
范代尔，a.c.等人。NOMAD是ExoMars微量气体任务的三套光谱仪的集成套件:技术描述、科学目标和预期性能。空间科学。牧师．214， 80(2018)。
Neefs, E.等。ExoMars微量气体轨道飞行器任务上的NOMAD光谱仪:第一部分:红外通道的设计、制造和测试。达成。选择．54， 8494-8520(2015)。
帕特尔，m.r.等人。ExoMars微量气体轨道飞行器任务上的NOMAD光谱仪:第2部分:紫外和可见通道的设计、制造和测试。达成。选择．56， 2771-2782(2017)。
Svedhem, H.等人。ExoMars微量气体轨道飞行器。空间科学。牧师．(在媒体上)。
Nevejans, D.等。基于声光可调滤光片的紧凑高分辨率星载梯级光栅光谱仪，红外域为2.2 ~ 4.3 μm。达成。选择．45， 5191-5206(2006)。
Titov, D. V.等。金星快车:科学目标，仪器和任务的场景。而是大世界。Res．44， 334-348(2006)。
Korablev, O.等人。ExoMars 2016微量气体轨道器的三个光谱仪的大气化学套件(ACS)。空间科学。牧师．214， 7(2018)。
Korablev, O.等人。火星快车上的SPICAM红外声光光谱仪实验。j .地球物理学。Res．111， e09s03(2006)。
福米萨诺，V.等。欧洲火星快车任务上的行星傅里叶光谱仪(PFS)。星球。空间科学．53， 963-974(2005)。
Trompet, L.等。SOIR/Venus Express光谱透过率估计的改进算法。达成。选择．55， 9275-9281(2016)。
Lemoine, F. G.等。来自火星全球勘测者的火星重力场(GMM-2B)的改进解决方案。j .地球物理学。Res．106， 23359-23376(2001)。
Millour, E.等。火星气候数据库(MCD版本5.2)。2015年欧洲行星科学大会, abstr。epsc2015 - 43810(2015)。
Villanueva, G.， Smith, M.， Protopasa, S.， Faggi, S. & Mandell, a.m.行星光谱发生器:一个精确的在线辐射传输套件，用于大气、彗星、小天体和系外行星。匡特。光谱学。Radiat。为我国．217， 86-104(2018)。
戴维，V. M.等。CO线路参数2和自我拓宽v3.高清频带16O。匡特。光谱学。Radiat。为我国．203， 158-174(2017)。
戴维，V. M.等。CO线路参数2和自我拓宽v1高清频带16O。匡特。光谱学。Radiat。为我国．203， 133-157(2017)。
戈登，i.e.等人。HITRAN2016分子光谱数据库。匡特。光谱学。Radiat。为我国．203， 3-69(2017)。
Liuzzi, G.等人。火星上的甲烷:CH敏感性的新见解4与NOMAD/ExoMars光谱仪进行了首次飞行校准。伊卡洛斯321， 671-690(2019)。
罗杰斯，c.d.。大气探测反演方法:理论与实践(世界科学，新加坡，2000)。
Maltagliati, L.等。SPICAM/MEx太阳掩星观测到的火星大气中水汽垂直分布和水-气溶胶耦合的年度调查。伊卡洛斯223， 942-962(2013)。
在最小二乘中求解某些非线性问题的一种方法。Q. J.应用数学．2， 164-168(1944)。
非线性参数的最小二乘估计算法。j . Soc。印第安纳州,达成。数学．11431-441(1963)。
Fedorova, A.等人。火星快车SPICAM实验对太阳红外掩星的观测:H2啊,公司2和气溶胶。伊卡洛斯200， 96-117(2009)。
华伦，S. G. &勃兰特，R. E.冰从紫外线到微波的光学常数:修订汇编。j .地球物理学。Res．113， d14220(2008)。
沃尔夫，m.j.等人。CRISM观测粉尘气溶胶单散射反照率的波长依赖性。j .地球物理学。Res．114， e00d04(2009)。
Fedorova, A.等人。火星上悬浮的气溶胶粒子有双峰大小分布的证据。伊卡洛斯231， 239-260(2014)。
汉森，J. E. &特拉维斯，L. D.行星大气中的光散射。空间科学。牧师．16， 527-610(1974)。
确认
ExoMars是欧洲航天局(ESA)和俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)的太空任务。NOMAD实验由比利时皇家空间航空研究所(IASB-BIRA)领导，由来自西班牙(IAA-CSIC)、意大利(INAF-IAPS)和英国(开放大学)的联合首席研究员团队协助。该项目由比利时科学政策办公室(BELSPO)提供资金，由欧洲航天局Prodex办公室(PEA 4000103401, 4000121493)进行财务和合同协调;西班牙MICINN通过其国家计划获得资助，欧洲基金根据ESP2015-65064-C2-1-P和ESP2017-87143-R (MINECO/FEDER)获得资助;由英国航天局通过拨款ST/R005761/1、ST/P001262/1、ST/R001405/1、ST/S00145X/1、ST/R001367/1、ST/P001572/1和ST/R001502/1;和意大利航天局通过2018-2-HH.0拨款。IAA/CSIC团队感谢西班牙MCIU国家研究机构通过“Severo Ochoa卓越中心”为Astrofísica de Andalucía研究所(SEV-2017-0709)提供的财政支持。这项工作得到了比利时科学研究基金会(FNRS)的支持，资助号为30442502 (ET_HOME)。ACS实验由莫斯科空间研究所IKI领导，法国LATMOS协助。该项目得到了俄罗斯航天局和法国国家研究中心的资助。 The science operations of ACS are funded by Roscosmos and ESA. IKI affiliates acknowledge funding under grant number 14.W03.31.0017 and contract number 0120.0 602993 (0028-2014-0004) of the Russian government. We are grateful to all ESA ESOC, ESAC and IKI Science Operations Center personnel, whose efforts made the success of TGO possible.
审核人信息
自然感谢Timothy McConnochie和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。
作者信息
作者及隶属关系
财团
贡献
A.C.V.和O. Korablev构思了这项研究，收集了资料并撰写了论文。S.A, G.V.和G.L.测得微量气体丰度，包括H2O和HDO，来自NOMAD仪器。irt分析了SO太阳掩星数据。L.T.提供了NOMAD SO v0.3a的透过率。J.T.E.和S.R.提供并分析了作为检索方法和初始全球环流模型(GCM)场输入的数据。F.D.和L.N.提供了GCM字段。S.V F.G.-G。，F.L., S.L. and J.K. provided the GCM background and discussion. F.A., O. Karatekin and V.W. coordinated the dust observations between the infrared and ultraviolet regions, and nadir and occultation. M.L.-V., J.-C.G, M.G.-C., M.L.-P. and B.F. analysed the NOMAD limb data. M.L.-P. provided the dust profiles from the NOMAD infrared channel. M.D.S., R.T.C. and M.J.W. provided contextual information from the Themis/Mars Orbiter instrument. M.G. provided contextual information from PFS/Mars Express. M.J.M. provided support for the spectroscopic parameters selection. F.S. and N.A.T. provided alternative methods to derive trace gases from the NOMAD infrared channel. J.W. and E.C. provided support for the selection of the surface properties. A.M. gave support for the calibration of the infrared channels. C.D., D. Bolsée and Y.W. were involved in the UVIS calibration and data pipeline. B.R. and E.N. designed the NOMAD observations, helped by J.M. for the UVIS channel. A.A.F. calibrated the ACS NIR data and analysed the water profiles assisted by F.M., A.T., D. Betsis and J.-L.B. CO2ACS近红外数据集由A.T.和a.p.编制，n.i.i.、A.S.和I.M.编制TIRVIM数据集。A.T.和A.V.G.设计了ACS观测。M.L.和D.P.分析了TIRVIM的掩星剖面。K.S.O, J.A.和L.B.为水的回收提供了支持。Y.S.I.帮助校准了和平号。M.R.P, G.B.和j.j.l.m。为基于科学兴趣选择NOMAD观测数据提供了支持。f.f.， C.F.W, d.r.， J.L.V.和H.S.协调TGO上各种仪器的观测。所有作者都协助A.C.V.和O. Korablev准备手稿。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
出版商的注意:施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1连续体光学深度随纬度和太阳经度的变化。
颜色表示光学深度小于1.0的最低高度，即阳光仍能轻易穿透大气层的最低高度。有很强的纬度依赖性，在视线下降到10-15公里以下(蓝色和深蓝色)之前，北部和南部高纬度地区相对清晰l年代= 200°-240°期间，GDS似乎将这一高度提高到20-25公里(浅蓝色和青色)。
图2沙尘暴对NOMAD LNO低空观测的影响。
一个，b，两个轨道在2.3 μm处的校准辐亮度为(一个)及期间(b)尘埃事件，作为纬度的函数。红线表示辐射传递模型的结果。GDS前的灰尘不透明度为τ在3 μm处= 0.46，而在该事件中至少增加了10倍(τ= 4.6)。1σ数据误差为8.2 × 10−5W m−2老−1厘米。c，地表反照率。黑色，来自OMEGA/Mars Express仪器的2.33 μm反照率(对应于NOMAD订单190);红色，来自TES/火星全球测量仪的键反照率，缩放到OMEGA one。
扩展数据图3 NOMAD在风暴期间测量的大气透过率。
资料载于l年代= 196.64°，北纬51°，东经148°，在切线高度达50公里处出现HDO吸收特征(箭头);其他大部分吸收特征来源于CO2．透过率由五阶多项式定义的连续统归一化，以消除气溶胶消光和仪器效应。透过率以0.015为间隔绘制，以避免重叠。
图4 NOMAD水检索结果示例。
顶部，在22.2 km的切线高度(黑色)，最佳拟合(蓝色)和不同的模拟1p.p.m.(青色)和100p.p.m.(绿色)的水含量下测量的透光率。插图显示了水的两条吸收线。底部，观测值与最佳拟合值之间的残差。透过率误差由1σ噪音值。
扩展数据图5 ACS近红外水检索结果示例。
顶部，在34.1 km的切线高度(黑色)，最佳拟合(蓝色)和不同的模拟情况下(青色)，1p.p.m.(红色)和50p.p.m.(绿色)含水量测量的透光率。插图显示了几条水的吸收线。底部，观测值与最佳拟合值之间的残差。透过率误差由1σ噪音值。
图6 NOMAD测量的水冰消光。
结果显示为粒径(检索有效半径，reff；顶部)和倾斜光学深度(千米为单位)−1；底部)。沙尘暴发生前5月7日05:40 - 05:46的太阳掩星数据utc(当地时间18:00)，包括北纬44°N ~ 57°N，经度122.6°E ~ 121.4°E。
扩展数据图7从TIRVIM数据集中独立检索尘埃和水冰。
一次典型南半球掩星获得的数据(2018年6月20日;北纬81°;经度(Lon) - 66°E;出口)。图中显示的是5个波长的透射谱图(左)，对应的偏不透明性(中上方)和消光谱图(右上方)，以及得到的有效半径reff(在微米;中下)和气溶胶数密度(以厘米为单位)−3；右下角)。掩星测量在轨道2556(当地时间21:25)进行，覆盖纬度81°N至82°N，经度−67°E至−60°E。观测结果与ACS MIR H相对应2O和HDO剖面如图所示。3.(黄色曲线)。使用3微米的水冰吸收带(波数为3263厘米)可以很好地区分水冰和尘埃−1图中)。在这种情况下，在25-30公里处探测到水冰云。所有错误显示为1σ．
源数据
权利和权限
关于本文
引用本文
范代尔，ac .，科莱列夫，O.，达尔登，F.。et al。火星尘暴对大气H2ExoMars微量气体轨道器观测到的O和D/H。自然568， 521-525(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1097-3
收到了：
接受：
发表：
发行日期：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1097-3
这篇文章被引用
火星极光的观测和建模
空间科学评论(2022)
火星大气中水及其光解产物的同位素分馏
自然天文学（2021）
ExoMars微量气体轨道器拍摄的火星大气中CO的垂直结构
自然地球科学（2021）
火星的等离子体系统。协调多点任务的科学潜力:“下一代”
实验天文学（2021）
大沙尘暴期间火星大气中的沙尘潮和快速经向运动
自然通讯(2020)
