千层结构：前向散射几何下揭示的火星大气气溶胶精细分层与粒子特性演化

本研究利用ExoMars TGO任务的CaSSIS相机，在近前向散射几何条件下（~174°相位角）对火星大气临边进行高分辨率观测，首次发现亚千米级气溶胶分层结构及±20%的色度变化，揭示了粒子半径随高度减小的规律（RED/BLU色比降低）和显著的纬度差异性，为火星气候模型提供了关键的气溶胶垂直分布约束，对理解大气辐射平衡和热力学过程具有重要意义。

　　

在人类探索火星的征程中，大气环境始终是制约任务成败和科学研究的关键因素。火星大气中悬浮的气溶胶颗粒（包括矿物尘埃和冰晶凝结物）不仅影响着着陆器的安全下降和巡视器的日常工作，更在火星气候系统中扮演着核心角色。这些气溶胶通过与太阳辐射和行星辐射的相互作用，显著改变着大气的温度结构和能量平衡，进而驱动着全球的大气环流。然而，长期以来，我们对火星大气气溶胶的垂直分布、其随季节和纬度的变化规律，以及颗粒物本身的物理特性（如尺寸、组成）的认识仍然十分有限。这成为了构建精确火星天气和气候模型（GCM）的主要瓶颈之一。

传统的探测手段，如太阳掩星观测，虽然能提供高信噪比的数据，但由于太阳并非点光源，其垂直分辨率受限， typically 仅约10-15公里，难以捕捉精细的垂直结构。而现有的轨道器成像系统又因轨道约束和仪器安全考虑，很难对明亮临边进行有效观测。因此，火星大气气溶胶的垂直分布，特别是在亚公里尺度上的精细结构，在很大程度上仍是一个未解之谜。为了回答这些根本性问题，由欧洲空间局（ESA）ExoMars痕量气体轨道器（TGO）搭载的彩色与立体表面成像系统（CaSSIS）研究团队，利用其独特的非太阳同步轨道优势，成功对火星大气临边进行了前所未有的高分辨率前向散射几何观测，相关研究成果发表在《Science Advances》上。

为开展此项研究，作者主要应用了以下几项关键技术：1) 利用CaSSIS相机的多光谱推帧成像技术，在近前向散射几何（~174°相位角）下对火星夜晚侧临边进行观测，有效抑制杂散光；2) 基于SPICE工具包进行精确几何定位和辐射定标，数据处理中整合了多个滤光片（BLU, RED, NIR）数据以分析色比；3) 采用SASKTRAN三维辐射传输模型（RTM）进行蒙特卡洛模拟，该模型能处理复杂的球形几何和多次散射，并优化气溶胶密度尺度高度（H）、表面数密度（n₀）和粒子尺寸对数正态分布参数（r, m）以拟合观测数据。

观测结果

研究人员在约174度相位角的前向散射几何条件下，获得了分辨率高达每像素18米的高信噪比临边图像。数据显示出明显的亚千米级分层结构，各层之间存在高达±20%的色度变化，并且整体辐射亮度极高（I/F > 1）。这些分层结构在水平方向上可延伸数十公里。不同滤光片（如近红外NIR、红光RED和蓝光BLU）的数据对比揭示了大气随高度变得“更蓝”的趋势，具体表现为RED/BLU色比随海拔升高而降低，这表明气溶胶粒子半径随高度减小。

粒子尺寸依赖性的模型研究

通过SASKTRAN辐射传输模型对观测数据进行拟合，初步最佳拟合参数为气溶胶尺度高度H = 11.96 km，表面数密度n₀ = 1.51 #/cm³，粒子尺寸对数正态分布模式半径r = 1.93 μm，模式宽度m = 1.29。模型表明，颜色比值对粒子半径高度敏感。当在模型中引入粒子半径随高度减小（如从低空的~1.9 μm减小到高空的~1.0 μm）以及密度分布在53公里处截断并叠加高斯型起伏（半宽100米）后，模型结果与观测数据的符合度显著提高，特别是成功再现了高层大气的蓝色特征和高亮度变化，说明粒子尺寸的垂直变化是解释观测结果的一阶因素。

垂直结构的纬度依赖性

在连续获取的五个数据集（覆盖约800公里纬度范围）中，大气层结构表现出显著的纬度变化。从赤道附近（约17.48°S）到更高纬度（约30.93°S），大气从相对平缓的辐射亮度分布转变为具有鲜明、离散的层状结构，且高纬度地区的色度随高度变化更为剧烈。在短短5公里高度内，反射率变化可达5倍以上。这表明气溶胶的垂直分布在~200公里甚至更小的空间尺度上就存在显著的不均匀性，这对大气中能量沉积的纬度分布和建模产生了重要影响。

中层（分离）层

观测数据中清晰可见高达至少56公里高度的离散气溶胶层（如46.5, 51.0, 53.0, 55.5公里处）。这些高层层状结构呈现出强烈的蓝色，在RED和NIR滤光片中信号很弱，与低层大气以尘埃为主的气溶胶在性质和成分上存在明显区别，可能与水冰颗粒有关。这些层的垂直范围可小于2公里，其不透明度与先前研究报道的0.01至0.15范围一致。

本研究首次以前向散射几何揭示了火星大气气溶胶在亚公里尺度上的精细分层结构，并发现了其颜色和亮度在垂直和水平方向上的显著变异。研究结果表明，火星大气气溶胶的垂直分布远非均匀或简单随尺度高度变化，而是呈现出复杂的层状结构，并且粒子尺寸（半径）有随高度减小的趋势。这些精细结构及其空间（纬度）变异性对大气辐射加热率的垂直和水平分布有直接影响，揭示了大气能量沉积的高度不均匀性。高层的中层气溶胶层（呈强蓝色）其特性与低层尘埃主导的气溶胶不同，可能由水冰构成。CaSSIS的观测结果与通过其他技术推断的低分辨率结果具有良好的一致性，但提供了前所未有的细节。

该研究的成功开展证明了CaSSIS仪器在此类观测中的巨大潜力。未来计划构建此类观测的数据库，以期更深入地了解火星气溶胶特性的时空（季节和空间） variability。这些高分辨率的观测数据将为改进火星全球环流模型（GCM）提供至关重要的约束，帮助科学家更准确地模拟和预测火星的气候状况，深化我们对这颗红色星球当前气候系统的理解。