[论文解读] Seasonal Variability of the Daytime and Nighttime Atmospheric Turbulence Experienced by InSight on Mars

Audrey Chatain, Aymeric Spiga+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Planetary Science and Exploration参考文献 39被引用 50

一句话总结

本研究利用美国国家航空航天局洞察号探测器在火星赤道着陆点连续1.25个火星年内的高频压力数据，揭示了北半球秋季/冬季期间白天涡旋显著增多以及夜间湍流强烈增强的现象。这一现象由尘埃加载导致的大气稳定性降低和低层风速增强所驱动。与非局域湍流不同，局域湍流在全天候和各季节中均对风速高度敏感，尤其在尘埃丰富的季节，夜间由剪切驱动的湍流强度可达到白天水平。

ABSTRACT

International audience

研究动机与目标

• 研究火星洞察号着陆点大气湍流的季节性和昼夜变化特征。
• 确定为何夜间湍流在通常由稳定条件抑制的条件下，于北半球秋季/冬季变得与白天湍流强度相当。
• 区分局域湍流（0.01–2 Hz）与非局域湍流（0.002–0.01 Hz）在风速与稳定性变化下的响应行为。
• 解释为何在尘埃丰富的秋季/冬季期间，白天涡旋出现异常爆发，且夜间涡旋开始出现。

提出的方法

• 利用洞察号压力传感器获取的高频压力数据（2–10 Hz）检测涡旋（压力下降 >0.35 Pa），并分析各频带的湍流特性。
• 应用截止频率为2 Hz的低通滤波器，以去除该频率以上的机械与电气噪声。
• 基于时间尺度与信号形态，将湍流划分为涡旋、局域湍流（0.01–2 Hz）与非局域湍流（0.002–0.01 Hz）。
• 利用火星气候数据库提供的5 m大气数据计算理查德森数（Ri），以评估大气稳定性和剪切效应。
• 通过结合洞察号表面温度、尘埃光学厚度与风速数据及太阳黄经（Ls），提供环境背景信息，以界定季节阶段。
• 对837个火星日的涡旋频率与湍流强度进行统计分析，重点关注Ls 210°–320°期间（北半球秋季/冬季）。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何洞察号着陆器在北半球秋季/冬季经历白天涡旋显著爆发，尽管风速与温度未显示明确的环境触发因素？
• RQ2 在尘埃丰富的秋季/冬季，为何夜间涡旋与强烈局域湍流出现，与夜间边界层通常稳定的预期相悖？
• RQ3 风切变与大气稳定性如何相互作用，使得夜间剪切驱动的湍流持续存在，特别是在Ri < 0.25时？
• RQ4 为何局域湍流在全年全天候中对环境风速的敏感性高于非局域湍流？
• RQ5 尘埃加载在如何改变夜间边界层，使其湍流强度可与白天相媲美？

主要发现

• 在洞察号赤道着陆点，秋季/冬季（Ls 210°–320°）期间，夜间环境风速相比其他季节增强2–3倍，与低空急流加强有关。
• 由于强风切变与大气稳定性降低的共同作用，夜间局域湍流强度在此期间达到与白天湍流相当的水平。
• 在此季节，整晚理查德森数（Ri）均低于临界值0.25，支持持续的剪切驱动湍流。
• 此前罕见的夜间涡旋在此尘埃丰富的秋季/冬季期间频繁出现，表明大气混合活动增强。
• 此期间白天涡旋活动显著增加，但风速或温度无明显变化可解释该爆发，提示尘埃输送可能对对流存在反馈作用。
• 非局域湍流（如由对流胞引起者）对风速的敏感性低于局域湍流，后者在全天候与各季节中均强烈受风速调制。