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MAVEN测绘火星上层大气风;鲸类为何不再大一点?|Science精选

科界 2019-12-14

来源:ScienceAAAS

首创之举:MAVEN对火星上层大气风的测绘

据一项新的研究报告,美国宇航局(NASA)的“火星大气与挥发物演化”(MAVEN)航天器令研究人员能够测绘该红色行星表面高空所刮的风。该研究首次估测了火星高层大气的总体环流。

这些结果能让我们了解火星如何失去其大部分远古时候的大气,并为理解地球的上层大气提供一个有用的比对。

就像太阳系中其它类似地球的行星一样,火星的上层大气(即热层和电离层)环流是由来自上方的太阳加热和来自下方的低层大气的上行能量驱动的。上层大气中的环流在整个行星的物质和能量的输送和重新分配中起着重要作用。尽管在地球大气层中对这些过程已经进行了数十年的研究,但火星热层风的本质仍基本未得到表征。

Mehdi Benna和同事报告了由MAVEN在多次俯冲至高度大约为140-240的上层火星大气中时所收集的新数据,这些数据令他们能在火星的热层中测量风速并测绘所致的大气环流。

据Benna等人披露,该环流模式比地球的要简单并在火星的各季节中颇为稳定,表明在火星的一年中,该行星的气候具长期的稳定性。而且,在某些位置的热层风会密切遵循遥远下方火星表面的形貌;作者说,这些发现提示了在火星上层大气中探测到了“地形重力波”——“地形重力波”是当风吹过地表高度有大幅改变时所产生的巨形大气波。

鲸类为何不能再大一点?

对大约300头被示踪鲸鱼进行了长达十多年的研究揭示,这些海洋生物的庞大躯体可帮助它们高效进食其猎物,但它们身体的硕大性受到可得到的猎物和觅食效率的限制。这些结果虽看似直观,但却很难用定量数据进行确认,这主要是因为很难对这些巨大的哺乳动物进行实地研究。

Terrie Williams在相关《视角》中说,对鲸鱼基本生物学需求有更多的了解是开始实施保护这些濒危巨型动物措施所必需的。体型的增大取决于从食物中所获能量与其能耗间的微妙平衡。在陆地上,通常会以小型生物吃小型猎物而大型生物以大型猎物为食来实现这种平衡。但是,这种范式在海洋中却瓦解了,因为在海洋中,世界上最大的捕食动物却以微小的猎物为食。对这种现象的解释尚无定论。

Jeremy Goldbogen和同事用微处理器技术设计的水下野生动物示踪器对有齿和滤食性鲸类(从最小的无喙海豚到地球上最大的动物蓝鲸)进行了标记,并计算了它们的用能效率(即来自捕获猎物的能量除以所消耗的能量)。

他们发现,这两种鲸类动物的较大体型可通过进食更多的猎物及有效地捕食猎物来增加它们的能效;然而对各种体型的齿鲸类而言,它们在深海猎食所获能量最终受到其每次下潜时可得到猎物的有限丰度的约束。

比之下,滤食动物则会始终显示来自食物能量的快速增加,其微小猎物的总生物量和能含量会超过最大型齿鲸的猎物的平均值。作者假定,对这些无齿鲸来说,其体型大小可能受其生物学因素(即尽可能快地吞咽最多富含磷虾海水的能力)的限制,而不是可获得猎物量的限制。总之,他们的分析表明,滤食行为可通过高效捕食巨量的小型猎物来推助齿鲸类所没有的向巨大躯体的演化途径。

闪电为暴风云上方高处的伽玛射线闪光和紫外Elves提供了动力

据研究人员报告,在雷雨云以上高空大气中有时所见的地面伽马射线闪光和紫外电离层照明可能是由下方风暴中以闪电形式产生的高能场所刺激生成的。虽然许多人熟悉雷暴云下方天空中闪耀的列缺霹雳,但其它类型的发光现象——也被称为瞬变光学事件(TLEs)——会发生于大气上层的暴风云的上方。

Elves是一类TLE,它们是正在电离层中扩张的紫外光和光辐射波,它们被认为是由风暴下方的雷闪放电所辐射的电磁能触发的。越过雷暴的人造卫星也观察到了高能伽马射线的快速爆发。当在强电场中被加速到接近光速的电子与大气中的原子碰撞时,地面伽马射线闪光(TGFs)便会生成。

虽然雷暴被推测是TGFs的来源,但有关其起源的许多细节尚不确定。Torsten Neubert和同事通过国际空间站上的“大气—空间相互作用监测器”(ASIM)仪器的高速镜头观察到了一次TGF和一个意外的相关Elve。

Neubert等人的ASIM数据捕获了光学、紫外线、X射线和伽马射线波段中的事件,这令他们能确认TGFs产自雷暴的过程。这些结果表明,TGF是在与雷暴云内的闪电脉冲相关的高电场中产生的——它发生在雷电先导开始的几毫秒之后。随后的电闪会释放出一个电磁脉冲,后者诱发了一个在雷暴上方可见的Elve。

地球的充氧作用是一个由内部反馈驱动的渐进式、非阶梯性的过程吗?

据一项新的研究披露,地球表面的充氧(充氧令此行星转变为我们所知的所有生命的宜居处)可能是简单的全球性生物地球化学反馈的后果,而非所提出的离散性行星规模的生物学与地壳构造巨变的产物。这些发现对理解地球及或许其它行星上的生命演化具有意义。

二十多亿年前,地球大气层和海洋中的氧含量开始上升,随之而来的是动物的出现和随后动物生命演化的逐渐复杂。人们普遍认为,这种渐进性充氧之路是通过三个主要步骤发生的:“大氧化事件”、“新元古代氧化事件”和“古生代氧化事件”。

尽管对这些氧气的阶梯式增加已经提出了几种生物学和地质学解释,但在地质上快速但却罕见的充氧事件与已知的地壳外部构造或演化过程并不对应。相反,Lewis Alcott和同事提示,地球的逐步充氧也许用生物地球化学的长期过程中的内部反馈更好地进行解释。

Alcott等人用一种理论模型发现了一组涉及全球磷、碳和氧循环的内部生物地球化学反馈,这些反馈能够驱动海洋和大气中O2浓度的快速变化。仅基于地球表面随时间推移而逐渐发生的充氧作用,该模型可产生与在地质记录中观察到的相同的三步式模式,并且不需要任何超越简单光合蓝藻细菌的生物学进展。作者提出,这些发现大幅增加了宇宙中其它地方存在高O2世界的可能性。

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