科學家發現火星殼磁場捕獲太陽風離子證據

　　火星是地球的近鄰，被認為是太陽系中氣候最為接近地球的星球。與地球不同，火星當前不存在類似地球那樣的全球性偶極磁場（圖1）。由于缺乏全球磁場的保護，外部太陽風可直接轟擊火星大氣，并剝蝕火星大氣粒子致其逃逸，使得當前火星的氣候環境比地球惡劣得多。而火星表面殘剩的巖石磁場表明，至少在37億年前火星具有如同地球一樣的全球偶極磁場，并可能擁有適合生命生存的宜居環境。因此，一般認為，當前火星就是地球未來演化的模樣。

　　研究表明，地磁場能夠有效屏蔽太陽風高能粒子的主要原因在于地磁場較強、尺度較大、磁場環境穩定，這使得“打進”地磁場中的太陽風粒子易被地磁場捕獲住——粒子沿磁力線呈現彈跳運動，并環繞地球出現漂移運動（圖2）。不同于地球，火星雖然缺乏全球性的磁場，但火星表面到處分布著局部、小尺度的強磁場區。科學家稱這些磁場為殼磁場（圖2）。這些殼磁場可延伸至高達1000公里處的區域，并與外部太陽風發生相互作用。

　　那么，一個重要的科學問題便出現了，即火星的小尺度殼磁場能否捕獲太陽風粒子？準確回答這一問題，能夠為探討火星與太陽風的相互作用提供關鍵的事實證據，并能夠為探究地磁場倒轉期間（偶極磁場消失）乃至未來地球全球磁場消亡時，太陽風與地磁場的相互作用提供有效的對比參考。

　　探索上述問題頗具挑戰性。前人發現太陽風電子可有效地被火星殼磁場捕獲住。這一發現并不意外，原因在于電子質量小，易被磁場約束住。而對于離子而言，情況比較復雜。由于離子質量大、回旋半徑也大，殼磁場空間尺度較小，科學家發現離子在殼磁場中的運動軌跡是不確定的，且至今未找到殼磁場能捕獲太陽風離子的確切證據。這促使科學家推測火星的殼磁場或不能有效地捕獲太陽風離子。

　　為從根本上闡釋這一問題，基于美國航天局火星大氣與揮發物演化任務（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission，MAVEN）提供的科學數據，以及中國科學院地質與地球物理研究所行星物理學科組自主發展的火星殼磁場模型，地質地球所博士張馳與導師、研究員戎昭金、研究員魏勇，以及瑞典空間物理研究所、日本京都大學、日本東京大學、美國波士頓大學、北京大學、美國愛荷華大學、美國加州大學伯克利分校、武漢大學等合作，首次發現了火星殼磁場能捕獲太陽風離子的直接觀測證據（圖3）。

　　具體來說，科研人員在檢查大量的觀測事件后發現，當MAVEN飛船穿越火星殼磁場區域時，有時會探測到離子能譜呈現出“先上升—后下降”的能量色散結構（圖3）。這一色散現象在地球磁層輻射帶觀測中普遍存在，實際上是捕獲離子漂移運動的直接反映——不同能量的離子在空間中有著不同的漂移軌跡。當飛船穿越殼磁場區域時，在時序上會記錄到不同能量的離子，從而顯示出這些色散結構特征。研究經過深入的數據解析發現，這些捕獲離子（主要成分為H+）并非來源于火星而是來源于太陽風。這表明太陽風與殼磁場的相互作用發生了某種物理過程，使太陽風離子得以注入到火星殼磁場。同時，離子的漂移運動使得高（低）能量的離子傾向于分布在火星殼磁場的內部（外部）區域（圖3、4）。

　　該研究首次揭示了火星殼磁場在一定物理條件下可有效捕獲太陽風離子。這對于進一步剖析火星空間環境，闡釋地磁場演化與太陽風的相互作用，比較認識和理解火星、地球的氣候環境演變、地球生物演化等具有重要的科學價值，并有望為后續分析我國“天問一號”火星探測數據提供重要的指導方向。

　　相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（A類）、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）和地質地球所重點部署項目的支持。