太陽系八大行星中，只有火星和金星沒有明顯的全球性內稟磁場，這導致它們周圍的空間磁場結構與地球等完全不同。當太陽風攜帶著行星際磁場吹過火星和金星時，行星際磁場會被行星的高層大氣和電離層阻擋，并拖掛在行星周圍，這種拖拽磁場組成的磁場結構被稱為感應磁層。感應磁層廣泛存在于太陽系中，在彗星和土衛(wèi)六等這類有大氣無內稟磁場的星體周圍都有觀測到。然而，近期很多衛(wèi)星觀測發(fā)現(xiàn)火星和金星周圍有很多奇怪的感應磁場，它們的方向與科學家一直以來理解的拖拽磁場方向不一致。
中科院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的柴立暉副研究員與合作者，通過對多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，在金星周圍有一種全球性的感應磁場，這種感應磁場逆時針環(huán)繞著行星的整個磁尾（從夜側看）。近期，他們通過分析最新發(fā)射的火星探測器MAVEN的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)火星上也存在這種全球性環(huán)形磁場，而且火星的環(huán)形場比金星強（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)證明了全球性環(huán)形磁場的共性，即它不僅存在于火星和金星周圍，還應該存在于彗星和土衛(wèi)六等周圍，為彗星和土衛(wèi)六周圍觀測到的磁場提供了統(tǒng)一解釋。
圖 1 火星（上圖）和金星（下圖）全球性環(huán)形磁場的對比圖。從左至右分別為火星和金星周圍觀測到的平均總磁場強度、環(huán)形磁場強度、環(huán)形磁場方向分布，最右側為從星球夜側望向星球時環(huán)形磁場的分布（箭頭代表了環(huán)形磁場方向）
與金星相比，火星的大氣和電離層都相對稀薄，而且它周圍的太陽風動壓和磁場也都較小，這造成火星的拖拽磁場比金星的弱很多。但是，火星的環(huán)形磁場卻比金星強。通過分析火星周圍的等離子體數(shù)據(jù)，作者提出：由于火星重力小，大氣擴散遠，與太陽風發(fā)生直接相互作用的機會多。由于粒子有效回旋半徑效應和動量守恒，兩團等離子體類似兩個小球發(fā)生碰撞，行星大氣離子向正的太陽風電場方向運動，太陽風離子則向負的電場方向運動。該運動使凍結在太陽風粒子中的磁力線發(fā)生彎曲，并最終形成了全球性環(huán)形磁場（圖2）。該研究建立了全新的火星和金星等弱磁星體的空間磁場結構和等離子體運動特征，并為研究火星和金星的夜側電離層起源，以及水逃逸機制等提供了新的思路。
圖2 火星周圍的空間磁場結構和等離子體運動分布?；疑珗A球代表火星，彩色曲線代表火星周圍的磁力線結構（顏色代表Bz符號），紅色粗箭頭代表火星大氣氧離子的運動方向，藍色粗箭頭代表火星周圍太陽風氫離子的運動方向
研究結果發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters。（Chai L, Wan W, Wei Y, et al. The Induced Global Looping Magnetic Field on Mars[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2019, 871(2): L27. DOI: 10.3847/2041-8213/aaff6e）（原文鏈接）