火星是一个天然的实验室，可用来理解大气物理、气候变迁、行星演化以及宜居性。大约四十亿年前，火星拥有比现在更浓厚的大气层，且表面存在液态水。了解火星如何演变成如今寒冷干燥的世界，有助于认识气候稳定性的机制，以及为什么彼此邻近的类地行星可能走上截然不同的演化道路。

而火星大气中的沙尘和水汽，与气候、大气环流及地表环境之间密切相互作用。沙尘会吸收并散射辐射，进而改变大气温度与环流。水汽则将大气与极区冰盖，以及火星长期的水含量连接起来。这些物质的输运深受火星大气行星尺度Hadley环流的影响。火星的Hadley环流是一种大尺度的南北向翻转环流，该环流从夏半球中纬度地区延伸至冬半球中纬度地区。地球上也存在Hadley环流，通常与水汽等大气物质的大尺度混合有关。然而，火星大气中可以观测到行星尺度下明显不均匀分布。沙尘与水汽似乎受到单一Hadley环流的分隔。微量气体，例如一氧化碳（CO），在环流内外边界两侧也呈现不同的分布与变化特征。其中一些物质，例如水汽与氩气（Ar），在南北两极的浓度还会出现同步的季节性变化。这些现象显示，火星大气中行星尺度的物质输运可能由平均流所控制。然而，目前仍尚未建立一套能够普遍解释这些现象的机制。

针对上述问题，研究团队发展了一套拉格朗日粒子追踪方法（Lagrangian particle-tracking technique），用来追踪随火星大气流动的粒子轨迹。研究所使用的火星大气流场，是根据大气同化数据的逐小时风场建立，其中包含不同位置的风速与风向信息。研究团队在Hadley环流内部与外部分别释放大量被动示踪粒子，并追踪它们随大气流动的位置变化，以描绘火星大气中的物质输运模式。透过比较粒子的初始与最终位置，分析其移动的距离与方向，而跨越环流边界的粒子比例则用来评估环流边界的动力屏障作用，并量化其隔离效率。为了确认研究结果的稳健性，团队也采用不同的环流边界进行敏感度测试。此外，相同的粒子追踪方法也被应用于地球与金星的大气流场中，以比较三个类地行星之间的物质输运特征。透过包含涡流形成与消散时间尺度的量纲分析，研究人员建立了一个具普适性的物理图像，用来解释火星、地球与金星为何呈现截然不同的大气物质输运现象。

粒子追踪的分析显示两个主要研究结果。首先，Hadley环流边界形成了一道物质的动力屏障。在 30 个地球日内，从环流内部与外部释放的粒子中，分别只有约15%与20%能跨越这道边界（图1左）。这种现象出现在火星一年约80%的时间中。在其余约20%的时间里，则为较弱的双环流结构，并呈现不同的隔离型态。

图1: 火星北半球冬季期间大气粒子经历30个地球日在环流内外的追踪轨迹分布（左），以及粒子在整体大气中的初始与最终位置的分布（右）

第二个主要研究结果是在Hadley环流上方发现了南北极区的遥相关，即相隔数千公里的大气现象之间存在连通。在这条输送路径上，粒子可以在10个地球日内，从夏半球的高纬度极区被输送到冬半球的高纬度极区（图1右）。量纲分析显示（图2），火星快速的自转速度使类似地球的涡流得以形成，但火星稀薄大气快速的辐射平衡能有效抑制这些涡流。因此，火星上的物质输运通常主要沿着平均环流进行，这与地球有根本上的不同，因为地球的大气输运主要受到涡流主导（图3左）。金星同样呈现平均环流占优势的特征，但其强烈的东西向超自旋风会将物质输运限制在较狭窄的纬度带内（图3右）。

图2: 类地行星大气物质输运型态对应的参数空间

图3: 地球北半球冬季（左）和金星子午线正午期间（右）大气粒子经历30个地球日在整体大气中的初始与最终位置的分布

研究结果可以解释若干火星上的观测现象。另外，该输运规律可将沙尘与水汽分隔开，可能会抑制火星水冰的形成，进而改变大气的辐射平衡及水循环。此外，高空中南北极区的物质输运，会使上层受到光化学作用的大气成分被直接输运至冬季极区。从更长的时间尺度来看，这种输运可能有助于水及其同位素，例如半重水，只在高纬度地区沉降，并因大气逃逸而进一步影响火星的水含量。

南方科技大学地球与空间科学系博士后范辰硕为论文第一作者，范斯腾为论文通讯作者。合作者还包括南方科技大学地球与空间科学系博士后孙聪、顾理想，厦门大学海洋与地球学院助理教授谢志昂以及法国动力气象实验室（LMD）博士后罗杨程。该研究获得了国家自然科学基金的资助，数值计算得到了南科大科学与工程计算中心的支持。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41561-026-02090-2