超声波工具未来可以追踪火星上的风速

火星上的天气怎么样？除了显而易见的——大部分时间都很冷——这个问题很难回答。要详细了解火星的大气动力学，需要有关影响火星天气的湍流的数据——多年来，访问过火星表面的各种着陆器都缺乏提供这些数据的仪器。然而，8 月 13 日发表在《美国声学学会杂志》上的一篇新论文描述了可能能够改变这一状况的设备设计：坚固耐用、可在火星上运行的精密风速传感器。

1976 年，美国宇航局的海盗号着陆器首次测量了火星风。着陆器感受到的风速大多在 0 米/秒 (m/s) 到 7 米/秒之间，最大为 9.5 米/秒。洞察号和毅力号最近测量的结果类似，分别为 0 米/秒到 7.5 米/秒和 0 米/秒到 12.1 米/秒。在沙尘暴期间，毅力号记录到了迄今为​​止火星上的最高风速：阵风达到了 22 米/秒。相比之下，2005 年的一项风能调查计算出，地球海拔 10 米处的平均风速在海洋上为 6.65 米/秒，陆地上为 3.28 米/秒；飓风被定义为风速至少为 34 米/秒的风暴，地球上有史以来记录的最高风速为 113 米/秒。

然而，这些着陆器使用的方法存在缺陷。它们在低风速下相对不准确，并且缺乏测量三个方向风的能力。后一个问题尤其严重，因为与地球大气一样，火星大气也是湍流。这种湍流是由白天火星表面加热的相对温暖的气体的涡流和上升气流产生的。新论文解释说，这些涡流“是热量、动量和分子从表面转移的主要机制。”

然而，研究它们需要“一个风传感器，它不仅可以解析水平风，还可以解析与湍流涡流相关的通常更为平缓的垂直风和水平风扰动。”

在地球上，这种测量通常使用超声波风速计进行，这种设备通过在一对传感器之间发送非常高频的声波脉冲来工作。当这些声波在大气中传播时，大气气体（包括风）中的任何运动都会影响它们到达的时间。顺风发送的脉冲将更快地到达目的地，而逆风发送的脉冲将减慢速度。测量时间差可以有效地测量风速，如果沿三个正交轴排列三对传感器，则可以在三维空间中测量风速和风向。

这种装置对于研究火星的风和大气动力学来说非常理想，但火星的环境对于敏感设备来说非常具有挑战性。大气压只是地球平均大气压的一小部分。而且温度变化很大——论文指出，风速计必须在低至 -202°F 和高至 68°F 的温度下工作。

不幸的是，超声波风速计中使用的传感器通常对压力和温度敏感。为了确定现有的风速计是否足够坚固以适应火星，研究人员在模拟火星环境的环境中对四种候选模型进行了测试。其中两种是市售模型，另外两种由作者制造。

正如预期的那样，这些设备会受到环境的影响。然而，通过考虑这些影响，研究人员能够以惊人的低误差范围进行测量：风速误差仅为 0.14%，声速误差仅为 0.07%。声速测量用于通过平均相反方向的传播时间来确定火星上的声音传播速度。

据合著者罗伯特·怀特 (Robert White) 称，这种新方法“比以前在火星上使用的任何方法都快 10 倍，准确度高 10 倍”。

论文还指出，地球上有一处地方的条件与火星相似：平流层，具体而言是距地面约 18.5 至 26 英里的高度范围。高空气象气球在此范围内运行，研究人员认为，他们的风速计还可以用于这些气球的第二种用途。