研究發(fā)現(xiàn)火星殼磁場可捕獲太陽風(fēng)離子

　　◎本報(bào)記者 代小佩

　　太陽風(fēng)與殼磁場的相互作用引發(fā)了某種物理過程，使太陽風(fēng)離子“鉆進(jìn)”火星殼磁場中，進(jìn)而被火星殼磁場捕獲，并在殼磁場中做漂移運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，離子的漂移運(yùn)動(dòng)使得高能量離子傾向于分布在殼磁場內(nèi)部，而低能量離子傾向于分布在殼磁場外部區(qū)域。

　　太陽風(fēng)離子究竟能不能被火星殼磁場捕獲？針對這個(gè)問題，我國學(xué)者聯(lián)合國外學(xué)者開展了研究，并首次發(fā)現(xiàn)了火星殼磁場捕獲太陽風(fēng)離子的直接證據(jù)。該研究成果近日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》上。

　　火星表面分布著局部小尺度強(qiáng)磁場區(qū)

　　地球之所以宜居，一個(gè)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(qiáng)、尺度較大、磁場環(huán)境穩(wěn)定，這使得地磁場具有捕獲太陽風(fēng)粒子的能力。這些被地磁場捕獲的粒子無法進(jìn)入地球大氣層，只能沿著磁力線彈跳，并環(huán)繞地球進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)。假如沒有地磁場，太陽風(fēng)就會不斷轟擊地球大氣，使地球環(huán)境變得惡劣。

　　地球的“鄰居”火星，就是一個(gè)典型例子。“火星當(dāng)前沒有像地球那樣的全球性磁場保護(hù)，因此太陽風(fēng)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(huán)境比地球惡劣得多。”中國科學(xué)院地質(zhì)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(qiáng)磁場區(qū)。“這些磁場存在于火星巖石中，被稱為‘殼磁場’，可延伸至高達(dá)1000公里處的區(qū)域。”戎昭金說。

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

　　由于電子質(zhì)量非常小，易被磁場約束，因此火星殼磁場能捕獲太陽風(fēng)電子的證據(jù)早已被發(fā)現(xiàn)。但“太陽風(fēng)離子能不能被殼磁場捕獲”這個(gè)問題在科學(xué)界一直沒有定論。

　　戎昭金表示，由于離子質(zhì)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(yùn)動(dòng)軌跡非常不確定，這導(dǎo)致科學(xué)家一直未找到殼磁場捕獲太陽風(fēng)離子的確切證據(jù)。“甚至有科學(xué)家推測，火星殼磁場或許并不能有效捕獲太陽風(fēng)離子。”他說。

　　或可為分析天問一號探測數(shù)據(jù)提供指導(dǎo)方向

　　為了揭開謎團(tuán)，來自中國科學(xué)院地質(zhì)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(lián)合瑞典空間物理研究所、北京大學(xué)、武漢大學(xué)等多家國內(nèi)外知名科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)一起展開了研究。基于美國航天局的火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）提供的科學(xué)數(shù)據(jù)，以及中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星物理學(xué)科組自主發(fā)展的火星殼磁場模型，研究團(tuán)隊(duì)在分析大量觀測事件后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MAVEN飛船穿越火星殼磁場區(qū)域時(shí)，有時(shí)會探測到離子能譜呈現(xiàn)出“先上升―后下降”的能量色散結(jié)構(gòu)。“這一色散現(xiàn)象在地球磁層輻射帶觀測中普遍存在，是被捕獲離子進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)的直接反映。”戎昭金說。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛船穿越殼磁場區(qū)域時(shí)，其搭載的科研設(shè)備在時(shí)序上會記錄到不同能量的離子，從而會顯示出這些色散結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)過深入解析，他們發(fā)現(xiàn)這些被捕獲的離子并非來源于火星，而是來源于太陽風(fēng)。“在這個(gè)高度上，火星離子成分主要是O+和O2+。但我們發(fā)現(xiàn)，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(fēng)。”戎昭金解釋道。

　　上述發(fā)現(xiàn)表明，太陽風(fēng)與殼磁場的相互作用引發(fā)了某種物理過程，使太陽風(fēng)離子“鉆進(jìn)”火星殼磁場中，進(jìn)而被火星殼磁場捕獲，并在殼磁場中做漂移運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，離子的漂移運(yùn)動(dòng)使得高能量離子傾向于分布在殼磁場內(nèi)部，而低能量離子傾向于分布在殼磁場外部區(qū)域。

　　該研究首次揭示了火星殼磁場在一定物理?xiàng)l件下能有效捕獲太陽風(fēng)離子。“這一發(fā)現(xiàn)有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識火星空間環(huán)境，理解地磁場演化與太陽風(fēng)的相互作用。同時(shí)，該研究對人類認(rèn)識火星和地球的氣候環(huán)境演變，以及地球生物演化等都具有重要科學(xué)價(jià)值。此外，該研究也能為后續(xù)分析我國天問一號的火星探測數(shù)據(jù)提供重要指導(dǎo)方向。”戎昭金說。