还记得《火星救援》那场灭顶之灾吗？中国科学家能提前预警了！

2018年6月，一场席卷整个火星的全球性沙尘暴爆发，让这颗原本清晰的红色星球被厚重的红褐色沙尘完全吞没。已经在火星表面顽强工作了15年的“机遇号”探测器，最终被厚厚的沙尘掩盖，停止了工作。

火星沙尘暴，一直是探测任务的最大威胁之一——它们难以预测，却又会对探测器带来毁灭性后果。如果未来人类真的要登上火星，沙尘暴也将是我们最致命的挑战——正如著名电影《火星救援》展示的那样。

那么，火星沙尘暴为何如此危险？要回答这个问题，我们得先从它的形成说起。

火星的大气非常稀薄，密度仅为地球的1%。这样稀薄的大气形成的风，其搬运能力其实很弱，如果放在地球上，可能连沙子都带不起来。但火星真正的危险，恰恰不在于风有多强，而在于沙尘颗粒有多细。火星沙尘颗粒的直径大多小于10微米，比面粉还要细腻。这意味着根本不需要多强的风，就能轻易地把它们吹到大气中。

火星沙尘进入大气之后，主要以两种形式存在：尘卷风和沙尘暴。

当太阳加热火星表面，近地表的空气变暖，与上层的冷空气产生温差，上冷下热的大气会促使暖空气强烈上升，并在水平风的作用下形成旋转的涡旋，把火星表面的尘土卷入空中——这就是尘卷风的产生。尽管单个尘卷风的尺度有限，但由于它们在火星表面广泛分布，几乎每天都在发生，因此对于维持火星大气中常年不散的背景沙尘方面起着至关重要的作用。

相比于尘卷风，沙尘暴的尺度要大得多。一般可分为局地沙尘暴、区域沙尘暴和全球性沙尘暴。局地沙尘暴一般不会持续超过3个火星日（1个火星日约为24小时39分钟），扬起的沙尘也不会移动很远。区域沙尘暴中扬起的沙尘则能够传播到很远的距离，可以持续3到20个火星日。

而全球性沙尘暴的形成就比较复杂了，与沙尘和大气之间强烈的“正反馈作用”有密切的关系：当大量沙尘被卷入大气中，它们会吸收太阳辐射，使周围大气变暖。这种变暖与周围相对较冷的大气形成温差，进而增强了地表风，扬起更多的沙尘。随着沙尘不断积累，这个过程持续加强，迅速发展为席卷全球的沙尘暴，持续时间能长达几个月之久。

人类能够观测并理解这些沙尘暴，离不开火星探测器的功劳。但对火星探测器自身而言，沙尘暴不仅是被记录的气象现象，更是实实在在的生存威胁。

火星沙尘暴对探测器的威胁，主要体现在两个方面：一是沙尘对设备的物理遮挡，二是沙尘暴的难以预测性，使得探测器几乎无法提前防范。

首先，火星沙尘的颗粒很细，还带有轻微的静电，这使它们很容易像塑料泡沫一样黏附在探测器表面。沙尘的堆积不仅会堵塞机械部件，遮挡光学镜头，还会加速设备的磨损，增加故障风险。更为致命的是对能源系统的影响——绝大多数火星探测器依靠太阳能电池板供电，哪怕只有少量尘埃覆盖，也会明显降低发电效率。一旦遭遇大规模沙尘暴，太阳能板可能被厚厚的沙尘完全遮蔽，探测器几乎无法获得维持运行所需的能量。

其次，沙尘暴的发生极难预测。一方面，它们并不常见，又毫无规律可循。自1956年人类首次详细观测到火星的全球性沙尘暴以来，至今只确认了8次这样的事件，即使算上疑似事件，总数也不过12次。也就是说，火星大约每3-4个火星年（1个火星年约2个地球年）才会经历一次全球性沙尘暴，并且间隔时间极不稳定，最短只有1年，最长可能超过8年。另一方面，沙尘暴在爆发前几乎没有预兆。火星大气的沙尘分布和强度，在沙尘暴来临前与平静年份几乎没有差别，这使得提前发出预警变得异常困难。

2018年那场全球沙尘暴正是如此，持续三个多月的风暴把“机遇号”火星探测器推向了最危险的境地。随着能量源被切断，探测器逐渐陷入沉寂。地面团队尝试了上千次唤醒指令，也未能唤回“机遇号”。

因此，为了延长探测器在火星表的工作时间，或支持人类未来在火星上的长期驻留，仅仅“知道沙尘暴的存在”还远远不够——我们必须学会预测它。否则，任何雄心勃勃的探索计划，都可能在一场突如其来的红色风暴中化为泡影。

为了预测火星沙尘暴，各国科学家开始尝试用数值模式，在计算机中“重现”火星的大气运动和沙尘循环，这类模式被称为火星大气环流模式，本质上就是火星的“天气预报系统”。

2023年，中国科学家迈出了里程碑式的一步——中国科学院大气物理研究所成功研发出我国首个火星大气环流模式GoMars。

GoMars主要由两个部分组成：动力框架和物理过程。其中，动力框架就像汽车的发动机，是整个模式的核心，负责求解描述火星大气运动的复杂方程组。值得一提的是，这套高分辨率大气模式动力框架完全由我国科学家自主研发。而“发动机”之外的部分，相当于汽车的其他零部件，负责处理动力框架中没有涵盖的、或者空间尺度非常小的物理过程，这些过程由研究团队耦合并改进的美国宇航局艾姆斯研究中心的火星物理过程来实现。

在研发模式的过程中，科学家们面临许多挑战。首先，在模拟沙尘的时空分布时，传统的“半预设方案”是由历史观测数据直接“规定”的。这种方法虽然简单，却无法刻画沙尘和大气之间相互强化的“正反馈机制”。因此，GoMars转而采用了相对复杂的“完全交互式方案”，这种方案充分考虑了沙尘和大气的相互作用，使得沙尘的发生发展由大气动力过程在计算机中自洽地产生，也为未来开展火星数值天气预报奠定基础。

其次，GoMars在描述沙尘的抬升过程时，对许多关键参数并不清楚。例如，多大的风速才能把沙尘吹起来？一次尘卷风能吹起多少的沙尘？这些问题既无法直接观测，也缺乏成熟的理论答案，只能在计算机中反复地试验。研究团队就这样不断地在计算机中调整参数组合，将模拟的结果与真实的观测结果反复对比，终于找到了一个恰到好处的“平衡点”，在这一参数组合下，模式既能维持火星上长期存在的背景沙尘，又能在合适的条件下触发全球性沙尘暴，表现得与真实火星非常接近。

完成调试后，科学家们利用GoMars连续模拟了50个火星年，在第8个火星年，一场全球性沙尘暴在模式中自发地产生了。模式清晰地再现了沙尘暴的演变过程：沙尘最初在南半球出现，并不断向周围扩展；不久后，北半球也触发新的起沙事件，最终南北半球沙尘连为一体，一场席卷整个火星的全球性沙尘暴就此展开。

在这50个火星年的模拟中，GoMars共自发产生了11次全球性沙尘暴，平均间隔约4.5个火星年，最短间隔1年，最长达到8年。这种间歇性、不规则的发生特征，与真实火星上的统计规律高度一致。不仅如此，还有沙尘暴的发生时间、起源位置以及传播路径，都能够和火星历史上某些具体年份的观测记录一一对应！

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