大约每隔两年，当火星南半球进入夏季时，就会有一扇窗打开：只有在这个季节，水蒸气才能有效地从火星低层上升到高层大气中。在那里，风把稀有气体带到北极。当部分水蒸气衰变并逸入太空时，其余的水蒸气则在两极附近下沉。来自莫斯科物理技术研究所和德国马克斯普朗克太阳系研究所(MPS)的研究人员在发表在新一期的《地球物理研究快报》上描述了这种不同寻常的火星水循环。计算机模拟显示，水蒸气是如何克服火星中层大气中的冷空气屏障，到达高层大气。
这可以解释为什么火星和地球不同，它失去了大部分水分。数十亿年前，火星是一个富含水的星球，有河流，甚至海洋。从那时起，我们地球的邻居火星发生了巨大变化。今天，只有少量冷冻的水存在于地下；在大气中，水蒸气只存在于微量中。总而言之，可能已经失去了至少80%的原始水源。在火星高层大气中，来自太阳的紫外线将水分子分解成氢(H)和羟基自由基(OH)。氢从那里无可挽回地逸入太空。太空探测器和太空望远镜的测量显示，即使在今天，水仍然以这种方式流失。
火星年期间火星上水汽的垂直分布，这里显示的是当地时间凌晨3点。只有当南半球是夏天的时候，水蒸气才能到达更高的大气层。图片：GPL, Shaposhnikov et al.: Seasonal ?Water“ Pump in the Atmosphere of Mars: Vertical Transport to the Thermosphere
但这怎么可能呢？
火星中层大气，就像地球的对流层顶一样，应该会阻止上升气体。毕竟，这个地区通常很冷，水蒸气会变成冰。火星水蒸气是如何到达上层大气！在目前的模拟中，俄罗斯和德国研究人员发现了一种以前不为人知的机制，让人联想起一种泵。模型全面地描述了从火星表面到160公里高度的整个环绕火星气膜的流动。计算结果表明，正常情况下冰冷的中层大气一天能渗透两次水蒸气，但只在一年的某个时间和某个地点。火星轨道在其中起着决定性作用，围绕太阳运行的轨道，持续大约两个地球年，比地球的轨道椭圆得多。
数十亿年前，火星表面可能是这样的：有海洋覆盖着它的部分表面。图片：NASA/GSFC
在离太阳最近的地方(与南半球的夏季大致重合)，火星比其最远的地方离太阳近4200万公里。因此，南半球的夏天明显比北半球的夏天暖和。英国国会议员保罗?哈托在总结新研究结果时表示：南半球的夏季，在一天中的某些时候，水汽会随着较暖气团在局部上升，并进入高层大气。在上层大气中，气流将气体沿经度带到北极，在那里气体冷却并再次下沉。然而，部分水蒸气逃脱了这个循环：在太阳辐射的影响下，水分子分解，氢逸入太空。火星另一个特性可以加强这种不寻常的水循环：跨越整个星球的巨大沙尘暴，每隔几年就会反复袭击火星。最近一次这样的风暴发生在2018年和2007年，并被环绕火星的太空探测器全面记录下来。
国会议员亚历山大?梅德韦杰夫表示：在这样一场风暴中，大量的灰尘在大气中盘旋，这有利于水蒸气进入高层大气。研究人员计算出，在2007年沙尘暴期间，进入高层大气的水蒸气是南半球无风暴夏季的两倍。由于尘埃颗粒吸收阳光并因此升温，整个大气层的温度上升了30度。这项新研究的第一作者、莫斯科物理与技术研究所的德米特里?沙波什尼科夫(Dmitry Shaposhnikov)解释说：我们的模型以前所未有的精确度展示了大气中尘埃如何影响冰转化为水蒸气的微物理过程。很明显，火星大气层比地球更容易渗透水蒸气，新发现的季节性水循环在很大程度上导致了火星的持续失水。
