火星的恶劣环境为风速测量带来了重大挑战，但新的进展使得收集更准确的数据成为可能。

研究人员开发了一种使用压电换能器的新型声波风速测量系统，能够快速、精确地测量火星风。这项技术每秒可测量多达100个风速，与之前的方法相比，有了显著改进。收集更详细的数据的潜力对于未来的火星任务至关重要，包括像毅力号直升机这样的小型飞行器的操作。

在火星上测量风速的挑战

火星的环境极为恶劣，火星的一天内气温变化极大，平均气温在零下80华氏度左右。火星表面大部分覆盖着红色尘埃，地形主要是陨石坑、峡谷和火山。火星的大气层极为稀薄，只有地球大气层密度的1%左右。

不用说，在红色星球上测量风速是一项挑战。火星着陆器已经能够捕捉到一些测量数据——一些数据测量了风吹过加热材料时的冷却速度，另一些则使用摄像机拍摄随风飘动的“风标”。这两种风速计方法都为该星球的气候和大气层提供了宝贵的见解。

但在天文工具箱中仍有改进的空间，特别是在未来几年里宇航员登上火星的计划将会逐步实现的情况下。

风速测量技术创新

在由美国物理学会（AIP）代表美国声学学会出版的《声学学报》（JASA）中，加拿大和美国的研究人员展示了一种新型声学风速计系统，该系统采用一对窄带压电换能器来测量声波脉冲在火星空气中的传播时间。这项研究考虑了包括换能器衍射效应和风向在内的各种变量。

“通过测量声音前后传播时间差，我们可以准确地测量三维风，”作者罗伯特·怀特表示。“这种方法有两大优势，一是速度快，二是低速时效果显著。”

对未来火星任务的影响

研究人员希望每秒能测量高达100次风速，最低速度可达1厘米/秒，这与以前每秒只能测量大约1次风速，并且难以追踪到50厘米/秒以下的速度的方法形成了鲜明对比。

“通过快速准确的测量，我们希望能够测量出平均风速，还能测量出湍流和波动风，”怀特说。“这对于了解可能影响小型飞行器（如最近在火星上飞行的机智号直升机）的大气变量至关重要。”

新系统的准确性和速度

研究人员在火星大气中的主要气体二氧化碳的广泛温度范围和窄压力范围内，对超声换能器和传感器进行了表征。他们的选择表明，温度和压力变化仅会导致名义误差率。

展望未来的火星探测任务

怀特说：“我们正在开发的系统将比以往使用的任何系统快10倍，准确度高10倍。”“我们希望，在未来火星任务考虑时，该系统能生产更多有价值的数据，并为我们提供火星气候的有用信息，也许还能更好地理解我们地球的气候。”

参考文献：罗伯特·D·怀特、里沙布·乔杜里、赵子佳、路易莎·奇耶萨、伊恩·尼森和唐·班菲尔德在《美国声学学会杂志》（JASA）2024年8月13日发表的“低压低温下气耦合超声换能器的建模与表征及其对火星音速仪的影响”一文。DOI：10.1121/10.0028008