第一章火星大气的独特性
　　1.1火星大气概况
　　1.1.1火星基本情况
　　火星是太阳系中的第四颗行星，位于地球外侧，作为地球最近的行星邻居，它的可居住性相对较高。金星的大气层具有腐蚀性且毒性很高，水星距离太阳太近且缺乏大气层，其他行星缺乏可居住的表面，因此火星成为人类探索并计划在未来登上的目标星球。火星半径大致是地球的一半，体积约是地球的1/7。火星的地形地貌与地球非常相似，分布着平原、峡谷、火山和高原。火星表面干燥，尘沙飞扬，泥土中富含氧化铁，所以呈现出红色的外观。过去的火星更像地球，表面温暖潮湿，大气层更厚，但如今的火星是寒冷和干燥的，气象条件极端，大气层稀薄，氧气含量少。
　　火星在40亿年前因小行星的撞击而失去内源磁场，太阳风粒子可直接与火星高层大气相互作用，注入较低层的大气，或者通过溅射、碰撞电离等方式侵蚀火星大气并不断剥离大气外层的原子，导致火星大气非常稀薄，地表气压在400～870Pa左右，密度仅为地球的1%。火星大气的主要成分为CO2（96％）［1］，并含有少量的N2（1.93%）、Ar（1.89%）以及微量的O2和CO等气体。由于大气稀薄且距太阳较远，火星地表温度很低，平均约－46℃。火星两极存在含有大量固态CO2和一定量水冰的厚重极冠，其季节性变化促使形成了跨半球的大气循环。
　　与地球大气一样，太阳辐射对火星大气系统加热不均是火星大气产生大规模运动的根本原因，而火星大气在高低纬间的热量收支不平衡是产生和维持火星大气环流的直接原动力。加上火星大气和表面的其他热能过程，导致观测到的大气结构具有以下特点： ① 在大多数纬度地区，特别是在热带地区，温度一般随着高度的增加而降低；② 在低层大气中，分日期间两个半球的温度有向两极降低的趋势，至日期间在夏季极区附近的温度达到最高，在冬季极区附近的温度达到*低；③ 在中层和高层大气的高纬度地区出现逆温和局地最高温度。要特别注意，与地球上10～50km高度上不同，火星中层大气中没有平流层，这主要是因为在火星中间大气层中很少或没有可产生臭氧的分子氧，所以不存在光化学诱导的臭氧层。
　　1.1.2火星上的季节划分
　　火星的季节变化通常用太阳经度（solar longitudes，Ls）来描述，即火星相对太阳的位置。如图11所示，火星绕太阳旋转 360°，就表示一个火星年结束。Ls＝0°对应北半球春分点，Ls＝90°、Ls＝180°、Ls＝270°依次代表北半球夏至、秋分、冬至。Ls＝0～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°分别对应春夏秋冬四个季节。一个火星年也包含12个月，每个月跨越30°的太阳经度。火星与太阳平均距离为1.52AU（天文单位，1AU≈1.496×108km），火星绕太阳公转轨道为一个偏心率（0.093）很大的椭圆，公转周期约为图11火星在一个完整火星年中的公转轨道示意图，对应Ls＝0°～360°，虚线表示火星的远日点（Ls＝71°）和近日点（Ls＝251°）的位置注。
　　地球公转周期的2倍（1.88地球年），即约687地球日，或668.6火星日（sol）。1火星日平均24小时39分35秒（1.027地球日）。近日点距离为2.07×108km，远日点距离为2.49×108km，这意味着在稳定太阳辐照下，火星在近日点（Ls＝251°）接收到的太阳辐射是远日点（Ls＝71°）的1.45 倍。
　　由于火星轨道的偏心率很大，因此每个月对应的火星日数差异也很大，火星月的长度为46～67个火星日不等，如表11所示。北半球春季（1～3月）约有193个火星日，而秋季（7～9月）只有约143个火星日，北半球春夏季节明显比秋冬季节长。研究者将 1955 年4月 11 日定义为火星年第一年的开始，之后以此类推，现在已经进入了火星年第37年（开始于2022年12月26日）。表11太阳经度与火星日的转换月份起止太阳经度Ls/（°）起止火星日持续时间（用火星日表示）具体情况1030061.261.2Ls＝0°， 北半球春分2306061.2126.665.436090126.6193.366.7Ls＝71°，远日点（火日距离最远）490120193.3257.864.5Ls＝90°，北半球夏至5120150257.8317.559.76150180317.5371.954.47180210371.9421.649.7Ls＝180°，北半球秋分沙尘暴季节开始8210240421.6468.546.99240270468.5514.646.1Ls＝251°，近日点
　　（火日距离*近）10270300514.6562.047.4Ls＝270°，北半球冬至11300330562.0612.950.912330360612.9668.655.7沙尘暴季节结束由于火星具有较大的自转轴倾斜角以及轨道偏心率，其大气和尘暴活动显示出很强的季节性，CO2会季节性地在两极的冰盖中凝华或者升华，尘暴活动会在火星距离太阳较近时发生得更加频繁；火星大气的季节变化往往同时包含日下点移动带来的照射角的变化以及火日距离变化带来的辐照度差异影响。
　　1.1.3火星大气垂直分层
　　火星大气十分稀薄，平均地表气压仅相当于地球海平面气压的1%左右。火星大气分层比较简单，从对流层直接过渡到中间层和热层（如图12左侧实心*线所示），这使得火星低层大气与中高层大气之间的相互作用更为直接和显著。只有在全球尺度的沙尘暴事件中，火星才会出现类似地球的平流层，太阳对空气中尘埃的加热暂时产生近乎等温的区域或深层反转，可与地球上臭氧加热的效果相比。
　　图1-2基于海盗号着陆器进入火星大气探测公布的美国标准大气（左侧的实心*线），带阴影的虚线反映了大型沙尘事件中气溶胶对温度的影响［2］
　　火星大气的垂直分层可以通过与地球上的垂直区域类比来定义。由于没有臭氧层或其他足够强的吸收剂，火星没有平流层。相反，我们定义一个低层（对流层）、中层（中间层）和高层（热层、电离层）大气。低层大气被定义为50km以下的大气层（对应于约2Pa的气压高度），那里的温度通常随着高度的增加而降低。中层大气被定义为50～100km之间的大气层。在潮汐和波的影响下，中层大气的温度变化很大，而且对那里的温度观测比低层大气少。100km以上是高层大气(或称热层)，因吸收太阳极端紫外线，那里的温度随高度增加而升高。
　　图12展示了基于海盗号的进入剖面获取的火星和地球“标准大气”的温度廓线，它与火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter， MRO）上的火星气候探测器反演得到的数百万条温度廓线的平均值非常相似。当然，真实的温度廓线并不像图12所示那样随高度平滑变化，而是有明显的波结构，随时间变化。上层和下层大气的分界线（即中间层或热层的底部）位于两颗行星表面以上约100km的高度。考虑到不同的表面气压，两颗行星上中间层顶附近气压的相似性值得注意： 在地球上，6.1hPa出现在海拔约40km的平流层，而这相当于火星的地表气压。在火星上，从流体静力学角度来说，重力越小，气压随高度的变化越小。
　　低层大气是火星地表至约50km高空的大气，以CO2为主的大气和沙尘直接吸收太阳辐射而使该层温度较高，与地球对流层性质接近，温度随着高度的升高而降低。在地表附近，存在一个行星边界层，由于地表的对流和辐射传输驱动，其厚度和稳定性在整个昼夜周期中变化强烈。对流层大气中常年悬浮着沙尘微粒，沙尘活动频繁，每年远日季节常有沙尘暴发生，有时甚至会发展成为全球尺度的沙尘暴。
　　中层大气也指中间层，距火星地表约50～100km，中间大气层的标志是一个近似等温的区域，温度随高度增加变化很小。同地球中间层大气一样，火星中层大气的能量收支也受上部太阳辐射、底部大气波动向上传播（上传）以及大尺度环流等多种机制的影响，在大气波动的作用下使温度剖面产生一系列扰动。
　　在中间层以上，由于对太阳极紫外辐射和软X射线的吸收，温度开始上升。高层大气指100～220km的大气层，包含热层和电离层。这里的温度随高度增加而升高，大气分子和原子在光化学作用等过程下电离程度也更高。在220km以上高空火星大气的逃逸过程逐渐增强，因此被称为逃逸层。
　　1.1.4火星与地球的异同
　　火星是太阳系中最像地球的行星，作为当前深空探测的热点目标，也是除地球外观测资料最为丰富、研究深度较深的类地行星。首先，邻近地球使得探测难度相对较低，是探测地外行星的最佳选择。其次，未来进行开发的潜能更大，这是由于火星表面气候相对温和，这点优于金星的恶劣气候，且火星表面适宜软着陆，可以有效延长着陆器的寿命。最后，火星独特的气象条件，如巨型臭氧洞、与地球极为类似的古代环境、地下冰盖中大量的冻水等都对人类了解地球气候变化十分重要。研究火星大气环境意义重大，无论是对未来火星探测器科学任务的开展提供预测保障，还是揭示生命起源和预测地球环境变化，火星大气环境都具备足够的研究价值。
　　火星是太阳系中的第四颗行星，位于地球外侧，被称为地球的“姊妹星”。既与地球相似，也存在着其独有的特征。作为类地行星，火星同样具备核、幔、壳等内部构造；火星上地形地貌与地球非常相似，分布着平原、峡谷、火山和高原，最高峰奥林波斯山高达2万米左右，是地球最高峰珠穆朗玛峰的2倍多；火星的自转周期和自转轴倾角与地球相似，也有明显的四季划分，表面对于太阳辐射具有良好的吸收作用。
　　火星的大气层在气象和气候方面与地球有许多相似的地方。两颗行星上的温度结构在很大程度上是由太阳辐射、地面辐射和大气辐射造成的热量交换和转化决定的，大气的热力状况表现为气候的冷暖变化，由全球规模的大气环流系统中的热量和动量传输所调节。相似的自转周期和自转轴倾角也导致两颗行星上的全球尺度环流类型相似，在低纬度地区都以直接翻转运动为主，在高纬度地区以气旋反气旋天气系统为主，一年中各半球之间的季节性变化模式相似。在火星地表和地下存在大量以冰或水汽形式存在的水，但其覆盖范围和数量仍需更多的观测来量化。此外，有证据表明，液态水或类似水的物质曾在火星地表大量流动并持续存在。
　　火星与地球的不同之处在于： ① 火星的质量比地球小，半径大致是地球的一半，体积约是地球的1/7，火星的表面积与地球的陆地面积差不多。② 火星距离太阳更远，以椭圆轨道绕太阳公转，轨道周期约是地球的两倍（686.971 天，1.88地球年）。③ 地球上因70%的液态水呈蓝色，而火星表面干燥没有液态水，仅存在古老的河谷、三角洲和湖床。④ 火星表面的重力约为地球表面的0.38，因小行星的撞击失去了内源磁场，火星壳的剩余磁场分布也非常不均匀，磁场强度只有地球的1%。⑤ 火星大气由96%的CO2，少量的氩气、氮气，以及微量的氧气和水组成。由于大气稀薄且距太阳较远，火星地表温度很低，平均约－46℃。⑥ 火星距离太阳更远，体积更小，没有液态水，大气主要由CO2组成且更稀薄，这些因素使火星的气候与地球相当不同。⑦ 火星大气分层因没有臭氧层存在而相对简单，从对流层直接过渡到中间层和热层。另外，由于火星大气稀薄且没有平流层，地面产生的对流活动可到达很高的高度。这就意味着，当前地球大气研究的诸多动力学过程可以应用于火星大气研究，而两者的物理过程却又极为不同。

目录
前言
第一章火星大气的独特性1
1.1火星大气概况1
1.1.1火星基本情况1
1.1.2火星上的季节划分2
1.1.3火星大气垂直分层4
1.1.4火星与地球的异同5
1.2火星大气与环境变化7
1.2.1沙尘循环7
1.2.2CO2循环10
1.2.3水循环11
1.2.4火星大气中的波动13
1.3本章小结15
参考文献16
第二章火星大气波动介绍19
2.1引言19
2.2大尺度波20
2.2.1热力潮汐20
2.2.2行星波22
2.3中小尺度波23
2.4本章小结26
参考文献27
第三章火星大气探测历史37
3.1引言37
3.2火星大气探测的开端37
3.3火星大气的连续探测39
3.3.1地基光谱观测39
3.3.2轨道遥感观测40
3.3.3登陆器和漫游器55
3.4本章小结59
参考文献60
第四章火星大气潮汐、行星波特性研究71
4.1引言71
4.2潮汐71
4.2.1热力潮汐和大气温度的季节尺度特征71
4.2.2周日西向热力潮汐波动特征73
4.2.3周日东向热力潮汐波动特征81
4.2.4半周日西向热力潮汐波动特征89
4.2.5半周日东向热力潮汐波动特征96
4.2.6热力潮汐对称波模式的波动特征104
4.2.7结论与讨论107
4.3行星波108
4.3.1纬向波数为1的定常行星波波动特征108
4.3.2纬向波数为2的定常行星波波动特征110
4.3.3纬向波数为3的定常行星波波动特征112
4.3.4纬向波数为4的定常行星波波动特征113
4.3.5纬向波数为5的定常行星波波动特征115
4.3.6结论与讨论116
4.4本章小结117
参考文献118
第五章火星大气重力波特性研究119
5.1火星中高层大气重力波的气候态特征119
5.1.1引言119
5.1.2重力波的时间演变和垂直分布124
5.1.3重力波的纬度和季节变化127
5.1.4中高层重力波活动特征的解释131
5.1.5结论与讨论134
5.2火星热层大气重力波的波数谱分析135
5.2.1引言135
5.2.2不同纬度内的垂直波数谱特征142
5.2.3不同经度间内的垂直波数谱特征 146
5.2.4不同地方时内的垂直波数谱特征147
5.2.5可能的波源及传播过程解释149
5.2.6结论与讨论152
5.3本章小结154
参考文献155
第六章基于数值模拟的火星大气研究162
6.1引言162
6.2主要大气模式及相关数据集162
6.2.1主要大气模式的研究现状162
6.2.2基于火星大气模式的数据集的研究现状167
6.2.3结论与讨论172
6.3大气模式模拟结果172
6.3.1基于数值模式的潮汐波模拟173
6.3.2基于数值模式的行星波模拟177
6.3.3基于数值模式的沙尘模拟179
6.3.4结论与讨论181
6.4本章小结182
参考文献182
第七章火星大气垂直相互作用189
7.1引言189
7.2火星陆气相互作用190
7.2.1火星陆气相互作用简介190
7.2.2火星陆气相互作用数值模拟192
7.2.3火星陆气相互作用原理197
7.2.4结论与讨论210
7.3火星大气层结间相互作用212
7.3.1火星大气层结间相互作用简介212
7.3.2火星大气层结间相互作用数值模拟215
7.3.3火星大气层结间相互作用原理219
7.3.4结论与讨论230
7.4本章小结235
参考文献236
第八章总结与讨论249
8.1火星大气波动特性研究250
8.1.1已完成工作250
8.1.2待解决的问题250
8.2火星大气波动模拟研究251
8.2.1已完成工作251
8.2.2待解决的问题251
8.3火星大气垂直相互作用模拟研究251
8.3.1已完成工作251
8.3.2待解决的问题252