火星上有电！科学家在红色星球的尘埃云中探测到微小闪电
这些闪电会否摧毁火星远古生命存在的证据？
（图片说明：火星尘暴中释放闪电的插图。图片来源：美国国家航空航天局）
科学家首次在火星上探测到微小的闪电——它们被发现于美国国家航空航天局“毅力号”火星车周围释放，源自尘暴前锋和旋转的尘卷风。
这一放电现象的发现，解决了一个重大的火星谜团，即2003年在火星上发现的氧化剂（如过氧化氢）的来源问题。这些氧化剂能与有机分子发生反应，可能破坏生物特征；而闪电触发的其他化学反应则可能生成新的有机分子。
“这非常令人兴奋，”法国图卢兹天体物理与行星学研究所的巴蒂斯特·奇德告诉太空网。“这为火星研究开辟了一个新的领域。”
奇德领导的火星车科学家团队，在一个最意想不到的仪器——“毅力号”的麦克风数据中，找到了放电的证据。
奇德的团队在总计29小时的麦克风录音数据中发现了55次放电事件，这些录音跨越了两个火星年。每次录音都有一个独特的音频特征。最初是一个持续不到40微秒的静态爆音，称为“过冲”。随后是信号的指数式衰减，持续约8毫秒，具体取决于麦克风与放电点的距离。过冲和随后的衰减都不是真实的声学噪音：它们是放电产生的磁场干扰麦克风电子元件的结果。录音的下一个部分是真实的声音。这表现为信号中的第二个响亮峰值，随后是较小的峰值，这些是由闪电闪光产生的微弱冲击波引起的。
这些放电并非像地球上那样从天空中劈下的叉状闪电，因为火星没有雷暴，其大气缺乏水分。相反，麦克风要能听到电释放，放电点必须非常靠近火星车。
在地球上，闪电主要由云中冰粒之间的摩擦引起。在火星上，则是尘埃颗粒之间的摩擦促成了放电。我们在地球的火山羽流中也看到过类似现象。
然而，地球和火星的条件非常不同，这体现在它们各自的“击穿阈值”上。这描述了粒子云带电到能够放电的临界点。
“地球的击穿阈值比火星高，主要与压力和大气成分有关，”英国卡迪夫大学的丹尼尔·米查德告诉太空网。米查德是一位研究闪电的物理学家，但他并非“毅力号”团队成员，也未参与这项研究。
（图片说明：火星上的“毅力号”图像。图片来源：由美国国家航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院提供，通过维基共享资源署名分享）
地球以氮-氧为主的大气和火星以二氧化碳为主的大气都具有电绝缘性，这意味着需要积累大量电荷才能克服绝缘效应并放电。由于地球表面压力为一个大气压，这意味着有大量的绝缘性大气需要闪电穿过，因此击穿阈值相当高，为每平方米300万伏特。而在火星上，表面压力仅为0.006个大气压，电释放需要克服的绝缘性大气较少，因此击穿阈值要低得多，约为每平方米1.5万伏特。
“这意味着我们通常预期火星上的闪电会比地球上弱，”米查德说，他将火星的电释放比作摩擦气球或在绝缘地板上行走时可能受到的静电冲击。
在“毅力号”麦克风探测到的55次放电事件中，有54次发生在29小时录音期间记录到的最强风力（排名前30%）的时刻。这强烈地将放电与能够将尘埃扬起的局地风联系起来，这在尘暴前锋很常见。其中16次事件还与尘卷风非常靠近火星车经过的情况相吻合——据估计，探测到的最远放电点距离“毅力号”仅1.9米。部分放电是由空气中的尘粒引起的，而少数几次则是火星车本身与空气中的尘埃颗粒碰撞后带电至数千伏，然后向地面放电。
尽管如此，火星车及其仪器都受到了良好的保护，免受电气故障影响。然而，奇德和火星车团队推测，苏联的“火星3号”着陆器可能因放电而受损——该任务于1971年在一次尘暴中降落在火星上，仅运行20秒后便失灵报废。
为确保未来任务得到充分保护，麦克风读数可以指导未来火星任务的设计。“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所依据的规格，并可能为宇航员所需的航天服设定新的约束条件，”奇德说。
迄今为止，只有麦克风捕捉到了放电的证据。“毅力号”的相机有可能捕捉到这些闪电的闪光吗？
“成像捕捉放电会很困难，”奇德说。部分原因在于许多放电发生在白天，而那是尘卷风最活跃的时候，那些原本足够亮的闪光也可能被尘埃遮挡。闪光持续时间也极短，仅持续微秒量级，且大多数长度仅为毫米级——最大的放电是火星车自身向地面放电时产生的，可延伸数十厘米到达火星表面。捕捉短暂、快速的放电需要高速、高分辨率的相机，而目前火星上还没有这样的设备。
“希望未来能有更先进的相机抵达那里，”米查德说。如果行星科学家们希望未来更详细地研究这种闪电，这个可能性现在变得更大了。
（图片说明：从空中俯瞰的一次火星尘暴。图片来源：美国国家航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院/亚利桑那大学）
即便如此，这也不是一件简单的事。"我们其实不知道该把相机对准哪里，"奇德说。"我们必须非常幸运才行！"
更直接令人感兴趣的是闪电与过氧化氢等氧化剂之间的联系。由于此类氧化剂能与有机化合物反应并改变其化学性质，对于在红色星球上寻找生物特征的天体生物学家来说，闪电的存在具有重要意义。理论上，氧化剂浓度高的区域应该经历更多的尘卷风和风暴活动，因此也会有更多的放电现象。例如，2004年"勇气号"火星探测车着陆的古谢夫环形山，其尘卷风活动强度是"毅力号"所在的耶泽罗环形山的二十倍，而埃律西昂平原上则几乎没有任何尘卷风活动。这是否与火星上氧化剂的分布相匹配？科学家们是否可以通过将寻找生命的任务送往火星上尘卷风和尘暴较少的区域，来提高找到生物特征的机会？
"这是一个很好的问题，"奇德说。"量化这种新现象产生的氧化剂数量将是下一步工作，这需要实验室实验和模型验证。"
虽然此前已在气态巨行星木星和土星的云层中发现了闪电，但这是在除地球之外的岩石行星上首次发现放电现象。这提出了在其他天体上发生类似现象的可能性，例如在金星上通过尘埃，或在土星的卫星土卫六上通过冰晶颗粒发生放电。
同时，火星的放电现象可能助长尘暴，因为静电作用首先降低了风力将尘埃颗粒从地表扬起所需的最低速度，从而形成了一个正反馈循环：静电帮助尘埃离开地表，尘埃进一步带电，这又帮助更多的尘埃扬起，如此循环。因此，尘埃的带电可能在火星的全球尘埃循环以及其类似气候的过程中扮演重要角色。
每个火星年都有成千上万次较小的区域性尘暴，这意味着有数千公里长的带电尘暴前锋可能正在发出微闪电的噼啪声。火星带电的惊人故事或许还未结束。
该研究于11月26日发表在《自然》杂志上。
基思·库珀是英国的一位自由科学记者和编辑，拥有曼彻斯特大学的物理学和天体物理学学位。他是《接触悖论：挑战我们在寻找地外智慧生命时的假设》（布卢姆斯伯里西格玛出版社，2020年）一书的作者，并为多家杂志和网站撰写过关于天文学、航天、物理学和天体生物学的文章。
BY:Keith Cooper
FY: 水天清