研究發現火星殼磁場可捕獲太陽風離子

　　◎本報記者 代小佩

　　太陽風與殼磁場的相互作用引發了某種物理過程，使太陽風離子“鉆進”火星殼磁場中，進而被火星殼磁場捕獲，并在殼磁場中做漂移運動。同時，離子的漂移運動使得高能量離子傾向于分布在殼磁場內部，而低能量離子傾向于分布在殼磁場外部區域。

　　太陽風離子究竟能不能被火星殼磁場捕獲？針對這個問題，我國學者聯合國外學者開展了研究，并首次發現了火星殼磁場捕獲太陽風離子的直接證據。該研究成果近日發表在國際權威學術期刊《自然?通訊》上。

　　火星表面分布著局部小尺度強磁場區

　　地球之所以宜居，一個重要原因就是，地球存在全球性磁場，即地磁場。

　　研究表明，地磁場較強、尺度較大、磁場環境穩定，這使得地磁場具有捕獲太陽風粒子的能力。這些被地磁場捕獲的粒子無法進入地球大氣層，只能沿著磁力線彈跳，并環繞地球進行漂移運動。假如沒有地磁場，太陽風就會不斷轟擊地球大氣，使地球環境變得惡劣。

　　地球的“鄰居”火星，就是一個典型例子。“火星當前沒有像地球那樣的全球性磁場保護，因此太陽風可以直接轟擊火星大氣，并剝蝕火星大氣粒子致其逃逸，因而火星氣候環境比地球惡劣得多。”中國科學院地質與地球物理研究所研究員戎昭金告訴記者。

　　不過，雖然火星缺乏全球性磁場，但火星表面（尤其南半球）廣泛分布著局部的、小尺度的強磁場區。“這些磁場存在于火星巖石中，被稱為‘殼磁場’，可延伸至高達1000公里處的區域。”戎昭金說。

　　那么，火星的殼磁場能不能捕獲太陽風粒子？戎昭金表示，要回答這個問題，就需要研究殼磁場能否捕獲太陽風電子和太陽風離子。

　　由于電子質量非常小，易被磁場約束，因此火星殼磁場能捕獲太陽風電子的證據早已被發現。但“太陽風離子能不能被殼磁場捕獲”這個問題在科學界一直沒有定論。

　　戎昭金表示，由于離子質量大、回旋半徑大，而殼磁場空間尺度較小，因此離子在殼磁場中的運動軌跡非常不確定，這導致科學家一直未找到殼磁場捕獲太陽風離子的確切證據。“甚至有科學家推測，火星殼磁場或許并不能有效捕獲太陽風離子。”他說。

　　或可為分析天問一號探測數據提供指導方向

　　為了揭開謎團，來自中國科學院地質與地球物理研究所的張馳博士與戎昭金以及魏勇研究員，聯合瑞典空間物理研究所、北京大學、武漢大學等多家國內外知名科研機構和大學一起展開了研究。基于美國航天局的火星大氣與揮發物演化任務（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，研究團隊在分析大量觀測事件后發現，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。“這一色散現象在地球磁層輻射帶觀測中普遍存在，是被捕獲離子進行漂移運動的直接反映。”戎昭金說。

　　研究團隊發現，當飛船穿越殼磁場區域時，其搭載的科研設備在時序上會記錄到不同能量的離子，從而會顯示出這些色散結構特征。經過深入解析，他們發現這些被捕獲的離子并非來源于火星，而是來源于太陽風。“在這個高度上，火星離子成分主要是O+和O2+。但我們發現，被捕獲的離子成分主要為H+，而非O+或O2+， 因此我們判斷H+來源于外部太陽風。”戎昭金解釋道。

　　上述發現表明，太陽風與殼磁場的相互作用引發了某種物理過程，使太陽風離子“鉆進”火星殼磁場中，進而被火星殼磁場捕獲，并在殼磁場中做漂移運動。同時，離子的漂移運動使得高能量離子傾向于分布在殼磁場內部，而低能量離子傾向于分布在殼磁場外部區域。

　　該研究首次揭示了火星殼磁場在一定物理條件下能有效捕獲太陽風離子。“這一發現有助于人類進一步認識火星空間環境，理解地磁場演化與太陽風的相互作用。同時，該研究對人類認識火星和地球的氣候環境演變，以及地球生物演化等都具有重要科學價值。此外，該研究也能為后續分析我國天問一號的火星探測數據提供重要指導方向。”戎昭金說。