前几天写了一篇回答（链接在下方），火星的浅表层藏着全球性的冰层，并且还在离地表几公里的区域内发现了火星如今还存在地下液态湖泊。那么火星是不是适合未来人类移民呢？今天我就介绍一下火星的大气环境，看看我们移民火星需要迈过的槛（火星第三更）。
一、火星大气概况
今天的火星比地球稀薄很多。大气层体积不到地球大气层的 1%。大气构成也和地球极为不同，主要成分为二氧化碳（96%）、氮气（1.9%）和氩气。
由于大气层十分稀薄，火星的大气层不能像地球大气层那样，提供足够的保护来抵御小天体的侵袭（陨石、小行星和彗星）。
火星表面的最高温度为 25 摄氏度，例如中午的时候，火星赤道的温度大约 24 摄氏度；而冬季正午的约为 0 摄氏度。
虽然有温室气体的影响（但是实在太稀薄，所以影响很小），火星无法保持温度，在寒冷的冬夜，极地的最低温度可以低于零下 150 摄氏度。
二、火星的天气情况2.1 火星天气的产生
地球表面的受太阳照射升温，地表的空气被加热升温（升温后空气密度变小，会上浮，如上图），水汽被转化成水蒸气（
，密度比空气低），两者会形成上升气流，把大量水汽带入大气上空。大气对流层的随着高度升高，温度逐渐降低（每 100 米降低 0.6 摄氏度）。当温度降低到 0 度以下时，水汽结成细小的结晶悬浮在空中（聚积成云），经过阳光照射后，我们就看到了白色云朵。
火星上没有大量的水汽，但是到处都是细小的尘埃。由于长期（30 亿年）的干旱和风化的结果，火星上的尘埃颗粒极小（直径约 0.01 毫米，相当于地球上的 PM10 粉尘）。阳光照射造成火星表面上升气流把尘埃带入高空，形成闭合胞对流（小云团内部存在对流，云团之间的间隙为较冷空气下层的通道），形成和地球类似的颗粒状云朵。
科学家通过追踪云团图像的移动轨迹，可以测算出火星风暴的移动速度。
2.2 尘卷风
沙尘暴是火星上最常见的天气现象。和地球类似，火星由于昼夜温差大，大气对流剧烈，形成沙尘暴。沙暴在形成前，难以观测风向的变化。但是尘卷风（下图）让原本不可见的风变得能够观测。
由于大气中的尘埃像轻薄的毯子一样，白天能遮盖阳光，降低温度；晚上却能阻止热量发散，帮助保持气温。而且尘埃颗粒很小，一旦被风暴刮起，能在大气中停留很久（地球的尘埃会随雨水落回地面）。
此外，风速和风险的信息对于火星着陆器和火星车抵达火星时安全和任务规划也至关重要。比如“机遇号”遇到沙尘暴而失联；“祝融号”火星车遇到沙尘暴后，太阳能板上沉积太多的灰尘，导致它无法从休眠中苏醒。火星车在执行任务时，也要根据灰尘量定期启动自洁功能。
通过观测和记录“尘卷风”，科学家记录了 1039 个尘卷风的位置和其中 373 个运动方向。研究得到尘卷风源自特定的“源区”，比如 Amazonis Planitia（亚马逊平原）就产生了大量的尘卷风，覆盖有细密的沙尘。
尘卷风的速度最高可达 44 米 / 秒，但是由于火星大气极其稀薄，其实人类在火星上对这样的风感受并不强烈。尘卷风在每个半球的春季和夏季最为常见，一般发生在中午十分阳光最强烈的时候，持续几分钟。
2.3 沙尘暴
火星全球性沙尘暴是太阳系最剧烈的气象现象之一。平均每 3-4 个火星年（6-8 年）发生一次，持续数月时间。最大风速高达 270 千米 / 小时，为地球 12 级台风风速的 2 倍还多。不过由于火星空气稀薄，沙尘暴其实对人体或建筑（未来如果有）伤害很小。
当火星运行到靠近近日点的轨道区间时，太阳的辐射强度的增加，让火星大气异常活跃。下图是“好奇号”火星车记录的火星大气气压变化。Sol（火星日）31 是火星南半球的初春，到 Sol93 是，天气慢慢变热。大气的密度增加了近 10%。这是因为气温的升高会影响极地的冰盖二氧化碳的升华。二氧化碳升华后，增加了大气的浓度，并由此产生压力差，引发热力潮（thermal tide）。
此外，太阳辐射的增加，让火星的温差更加剧烈。两相影响，火星大型沙尘暴的发生越发频繁。下图记录着火星全球性沙尘暴、太阳辐射能量情况和时间的关系。图表左侧和右侧是火星远日点，而中间是火星近日点。左侧的垂直刻度仅适用图表中的黑色曲线。我们看到大型沙尘暴以及全球性沙尘暴都在火星靠近太阳时开始爆发。
上图右侧代表了火星轨道角动量（适用于蓝色、棕色和青色曲线），该数值基于质量、速度以及与太阳距离算出。1956、1971、1982、1994 和 2005 年这五个火星年（伴随全球性尘暴）的角动量曲线（棕色区域），会发现大型全球性沙尘暴的角动量变动曲线基本吻合（年初的角动量显上升趋势），而未发生全球性沙尘暴的年份，角动量在年初显下降趋势。
火星全球性沙尘暴动画 https://www.zhihu.com/video/1967340517156193122
所以，火星全球性沙尘暴的形成条件，需要叠加太阳辐射高峰和角动量高峰两个条件。
下图是由哈勃太空望远镜在不同时期拍摄的两张火星照片。2001 年 6 月 26 日时，我们能看到风暴的种子正在赫拉斯盆地（Hellas Basin，四点钟方向）和北极冰盖初酝酿，等到 2001 年 9 月 4 日，它们就已经发展成为全球性沙尘暴笼罩火星。
三、火星大气的新发现
明天我会继续介绍火星大气的一些新发现，包括：
- 火星地壳对大气的影响
- 火星的臭氧层（以及极光）
- 火星大气的流失原因
- 火星车在火星上成功利用二氧化碳制作氧气
- 火星甲烷平衡和有机物之谜
敬请期待。
参考
https://www.nasa.gov/
https://www.esa.int/