為什麼火星極光的形成過程會導致行星上的水分流失？
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作者：石蘭（抄襲必究）
在火星上普遍存在的極光現象可導致水分流失
雖然，人類從誕生以來就一直生活在地球這顆行星上，但這並不妨礙我們可以看到許多獨特的自然現象和天文現象，並從這些罕見現象中搜尋到地外世界的蛛絲馬跡。不同於其它自然現象，極光被我們賦予了濃重的浪漫色彩，再加上並不是地球上的每個角落都可以一睹它的倩影。所以，如果可以親歷一場極光的視覺盛宴，便足以讓很多人覺得此生無憾。
圖示極光拍攝地點位於加拿大的洛林湖附近，綠色極光在太陽的餘暉中將湖面照亮。
雖然，在數十年的地外行星探索之旅中，人類並沒有在其他星球上找到生命存在痕迹。但是，我們也因此而對更多星球的星體特徵有了基本了解，比如，在火星上也同樣存在著極光現象。簡而言之，地球並不是唯一存在極光現象的行星，至少火星上也同樣普遍性的存在著極光現象。那麼，火星極光的形成原理到底是怎樣的，為什麼該星球上的極光會到導致行星上的水分流失？
火星極光本質上是在白天出現的質子極光
雖然，地球上的極光現象並不是那麼容易被所有人遇見，但應該很多人都對其形成有基本了解。地球極光的本質其實就是一種多姿多彩的等離子體現象，主要是出現在地球的兩極區域。它的出現始於太陽風闖入地球的磁場，而之所以會呈現出絢爛多彩的顏色和不同形狀，則主要是因為那些太陽帶電粒子流在自身被激發之後，電離了分布在大氣層中的各種成分。
越過火星磁場的質子竊取了氫原子中的電子，並在與火星大氣發生碰撞後發出紫外光。
雖然，火星極光與地球上的極光現象存在一些相似性，但它本質上卻是一種質子極光。並且，火星上的極光現象都是在白天的時間裡出現的，由於它們只會發出紫外線這一種信息，所以才導致了我們的眼睛無法捕獲其發生的時刻。但是，這一切又怎麼能逃過MAVEN航天器IUVS（成像紫外光譜儀）的強大功能。並且，正是火星上的這些極光，為科學家們提供了行星水分如何從大氣中流失的重要信息。
事實上，早在2016年的時候，科學家們就通過MAVEN航天器第一次拍攝到了火星極光現象。只是不同於當時帶給我們的巨大差異感，因為如今的我們已然認識到該現象在火星上的普遍存在性。雖然，即便是時間來到數年之後的現在，我們依然無法通過自己的眼睛來搜尋它們的蹤跡，但探測器所捕獲的越多越多的新數據信息，讓我們對火星極光的認知也越來越深入。
火星極光的形成消耗了行星的殘餘水分
當科學家們通過航天器的紫外光譜儀，對火星大氣層進行質子極光檢測時候發現：在110到150千米高度之間的氫Lyman-alpha（121.6 nm）發射中，火星上的質子極光會顯示出明顯的強度增加情況。於是，研究人員結合了近幾年的火星觀測數據，並創建了火星質子極光的綜合資料庫。
圖示信息分別為不同狀態下火星上發生的質子極光現象
雖然，火星上的極光現象存在明顯的季節性特徵，但平均下來我們大約有14%的概率能夠捕獲到這一現象。由於火星是不具有全球偶極子磁場的，所以，火星極光的形成，其本質上是質子在變成帶中性電荷的原子之後、繞過了火星磁層弓形衝擊並撞入火星大氣層時所產生。而火星上出現極光的頻率，則主要取決於太陽天頂角，以及該星球上當時所處於的季節。
當火星沙塵暴季節開始的時候，會出現中性底層大氣的季節性膨脹情況，這導致了火星上的質子極光擁有了最高的峰值強度和發射增強。事實上，當火星的北半球處於冬季，也就是它的南半球處於夏季的時候，質子極光的發生頻率甚至可以高達80%以上的時間。高層大氣中氫和太陽風的更多相互作用，所有撞入火星稀薄大氣層的原子在與氣體產生碰撞後發出紫外線，於是便導致夏季出現了更多更強的質子極光。
在火星夏季的沙塵暴天氣中，經常形成數十公里高的塵埃塔。
或許很多人並不了解，夏季的火星南半球跟太陽之間的距離最近，此時會有更多的太陽風被星球接收到。眾所周知，火星的夏季經常出現的沙塵暴天氣，並導致數十公里高的塵埃塔形成。這些「塵埃塔」會將更多的水蒸氣送入了大氣層之中，但這些水蒸氣無一例外的都被太陽的紫外線分解成了氧氣和氫氣。
而這些從水蒸氣分解出的氫氣，增加了火星氫電暈中氫氣的含量。也就是說，太陽粒子可以和這些氫氣發生更多的相互作用，並最終形成更多的火星極光。簡而言之，火星極光的形成離不開太陽風質子和這些從水蒸氣中分解出來的氫氣，這也是為什麼說火星上更多極光的形成，會伴隨著行星上剩餘水分的進一步流失。雖然，火星流失水分的方式有很多種，我們尚不能確定每種方式的流失水分佔比，但火星極光無疑也是其中之一。
圖示信息為埋藏於火星Arcadia Planitia地區地下的水冰
火星極光與行星可居住性的喪失有關
放眼整個太陽系，同屬於類地行星的火星贏得了人們更多的關注，當然也包括了專業的天文科學家們。儘管如今的火星已然變得不再適合生命居住，其地表不再有流淌的液態水、且大部分區域都被漫天沙漠和礫石所覆蓋。但是，根據我們近幾十年來的研究結果分析，目前仍然擁有季節特徵的火星，可能曾經也是一顆擁有可居住性的星球。
圖示信息為古代火星和火星現狀對比，前者寒冷乾燥，後者有液態水流動。
雖然，關於這顆紅色星球具體是如何演化為如今這般模樣，人類至今也沒有將過程中的所有細節研究清楚。但是，我們可以確定的是火星失去水分的途徑並不只有一種，而火星可居住性喪失的重要表現之一便是流動液態水體的不復存在。事實上，自從我們了解到古老火星的大氣氛圍並非現在這樣之後，便將更多的精力用來研究它失去氣氛的過程。
而之所以火星上的極光現象會引起我們的注意力，主要是跟它的形成原理有關。雖然，關於火星大氣氣氛的失去，其中包括了自身電離層、高層大氣，以及整個星球與太陽風之間在發生相互作用之後所帶來的影響。但是，火星上普遍存在的極光現象，本就是火星大氣工作中的重要部分，而該現象發生的強度和速度則都會對星球上水分的流失帶來重要影響。
為什麼要研究火星上水資源流失的方式？
火星上水資源的分布，一直都是人類最為關注的話題之一，因為，這不僅是行星演化相關的重要研究。而且，倘若我們要在之後的某一天去火星上生活，那麼，水資源便是我們迫在眉睫需要解決的問題。當我們對火星水資源的流失方式、以及現存體量的分布情況有了更清晰的數據分析，便更有利之後火星任務的計劃和實施。
圖像中示意的是水冰在火星地下的分布情況，而位於最上方的區域深度不超過30厘米。
雖然，現在的火星已經在地表觀測不到流動的液態水，但在行星表面之下則埋藏著一些凍結的水冰。並且，它們中的一部分甚至距離地面只有30厘米左右的深度。這也就意味著，要開採出火星上剩餘的這些水資源，其中的一部分並不涉及到多麼先進的設備，只需要我們生活中偶爾會用到的鏟子即可實現。
儘管很多人都覺得溫暖而充滿陽光的地區更適合航天器著陸，但是，反而事實上是分布大量水冰的區域能更少地減少對航天器的傷害。當我們對火星流失水分的所有方式都有所了解，更對火星剩餘的水資源了如指掌。那麼，我們就知道這顆星球的水資源能得到多大的利用，以及它未來是否可能成為一顆適合生命居住的星球。
