歐空局的ExoMars微量氣體軌道器在火星大氣中發現了一種綠色夜光，為未來的火星任務提供了大氣過程和潛在照明的重要數據。這一現像有別於極光，標誌著我們在了解火星方面取得了重大進展。

這張圖片展示的是太空人在火星極地冬季夜晚看到的夜光效果圖。當大氣層高處的氧原子結合形成氧分子時，就會發出綠色的光。這個模擬景像是利用美國太空總署”機遇號”漫遊車的全景相機拍攝的真實但變暗的火星表面影像，以及與氧氣發射的真實顏色相對應的合成夜光製作而成的。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院/康乃爾大學/亞利桑那州立大學-E.

當未來的太空人探索火星極地時，他們將看到綠色的光芒照亮夜空。歐空局的ExoMars微量氣體軌道器（TGO）任務首次在火星大氣中探測到了可見的夜光。在晴朗的天空下，夜光的亮度足以讓人類看到，也足以讓漫遊車在漆黑的夜晚導航。地球上也能觀測到夜光。在火星上，夜光是意料之中的事，但直到現在也從未在可見光下觀測到。

大氣夜光發生在兩個氧原子結合形成一個氧分子時，距離行星表面約50 公里（約30 英里）。這些氧原子經歷了一段旅程：它們是在火星的白天形成的，當時太陽光為二氧化碳分子提供能量，使它們分開。當氧原子遷移到夜間，不再被太陽激發時，它們會重新聚集，並在較低的高度發光。

這段動畫描述了據信可以解釋火星夜光的產生過程。當暴露在70 公里高度以上的太陽紫外線輻射下時，二氧化碳分子（火星大氣的主要成分）會分裂成一氧化碳和氧原子。這些氧原子（描繪成紅色球體）由一個巨大的哈德利氣室輸送，該氣室的特徵是在白天的夏極上空有一個上升支脈，在位於夜半球的冬極上空有一個下降支脈。氧原子在哈德利小室的下降支中重新結合成分子氧，高度為30-50 千米，並發出紅外線輻射。圖片來源：歐空局

比利時列日大學大氣與行星物理實驗室研究員勞里安-索雷特（Lauriane Soret）解釋：「這種輻射是由於在夏季大氣中產生的氧原子重新組合，並被風帶到火星大氣中40至60千米高度的冬季高緯度地區。”夜光的亮度足以照亮未來的道路，人們可以看到夜光就像地球上的月光一樣明亮。這項新研究的主要作者、列日大學行星科學家讓-克洛德-熱拉爾說：”這些觀測結果出乎意料，對未來的紅色星球之旅很有意義。”

當太陽光與大氣中的原子和分子相互作用時，地球大氣中就會出現氣輝。在這張2011 年由國際太空站（ISS）上的太空人拍攝的圖片中，地球曲線上可見一條綠色的氧氣輝光帶。在地球表面，非洲北部的部分地區清晰可見，尼羅河及其三角洲沿岸的晚霞閃閃發光。圖片來源：美國國家航空暨太空總署

追隨綠色發光之路

十年前，火星快車用紅外線波長觀測到夜光，這項發現引起了國際科學小組的興趣。微量氣體軌道器緊隨其後，於2020 年在火星白天的高空探測到了發光的綠色氧原子–這是第一次在地球以外的行星周圍看到這種日輝發射。

這些原子也會移動到夜間，然後在較低的高度重新結合，從而產生今天發表的新研究中檢測到的可見夜光。

歐空局ExoMars微量氣體軌道器探測到火星大氣中氧氣發出的綠光的藝術效果圖。在火星白天發現的這種輻射類似於從太空中看到的地球大氣層周圍的夜光。圖片來源：歐空局

TGO 在紅色星球400 千米的高度上運行，利用其NOMAD 儀器的紫外線-可見光通道監測火星的夜間。該儀器覆蓋了從近紫外線到紅光的光譜範圍，儀器朝向紅色星球的邊緣，以便更好地觀測高層大氣。

NOMAD 實驗由比利時皇家太空高層大氣研究所（Royal Belgian Institute for Space Aeronomy）領導，與來自西班牙（IAA-CSIC）、義大利（INAF-IAPS）和英國（開放大學）等國家的團隊合作。

科學價值

夜光是大氣過程的示蹤劑。它可以提供有關難以測量的大氣區域的組成和動態以及氧氣密度的大量資訊。它也能揭示太陽光和太陽風–從我們的恆星發出的帶電粒子流–是如何沉積能量的。

來自太空的快照，銀河系和地球在國際太空站外相映成趣。在這個場景中，銀河系延伸到地球邊緣曲線的下方，也記錄了微弱的綠色氣流。銀河系中央隆起的星域被星際塵埃遮蔽的黑暗裂縫所切割。這張照片由美國太空總署太空人斯科特-凱利（Scott Kelly）於2015年在為期一年的太空任務中拍攝。圖片來源：NASA/斯科特-凱利

了解火星大氣的特性不僅具有科學意義，也是前往紅色星球表面執行任務的關鍵。例如，大氣密度會直接影響軌道衛星和用於將探測器送到火星表面的降落傘所受到的阻力。

夜光與極光有區別

地球上也能觀測到夜光，但不能將其與極光混為一談。極光只是行星大氣發光的一種方式。

在火星和地球上，當來自太陽的高能量電子撞擊高層大氣時，就會產生極光。它們在空間和時間上各不相同，而夜光則更加均勻。夜光和極光都可以呈現多種顏色，這取決於在不同海拔高度哪些大氣氣體含量最高。

我們星球上的綠色夜光非常微弱，因此最好從”邊緣”的角度觀察–宇航員在國際太空站上拍攝的許多壯觀的圖像就是這樣描繪的。

歐洲太空總署太空人蒂姆-皮克（Tim Peake）在國際太空站執行為期六個月的”原則”任務期間拍攝的延時攝影影片。這位英國太空人對這段延時攝影發表了評論：”國際太空站拍攝的’極光升起’景象–發現最後的兩顆衛星了嗎？延時攝影影片是由一秒鐘間隔拍攝的影像以25倍的速度重播而成。圖片來源：歐空局/美國國家航空暨太空總署