火星是地球的近鄰，也被認(rèn)為是太陽(yáng)系中氣候最為接近地球的星球。然而與地球不同，火星當(dāng)前并不存在類似地球那樣的全球性偶極磁場(chǎng)（見(jiàn)圖1）。由于缺乏全球磁場(chǎng)的保護(hù)，外部太陽(yáng)風(fēng)可直接轟擊火星大氣，并剝蝕火星大氣粒子致其逃逸，這使得當(dāng)前火星的氣候環(huán)境要比地球惡劣得多。但火星表面殘剩的巖石磁場(chǎng)表明，至少在37億年前火星具有像地球一樣的全球偶極磁場(chǎng)，并極有可能擁有適合生命生存的宜居環(huán)境。因此，一般認(rèn)為，當(dāng)前火星就是地球未來(lái)演化的模樣。
圖1. 地球和火星的對(duì)比。左圖為地球，地球存在由全球性的偶極地磁場(chǎng)?；鹦钱?dāng)前沒(méi)有全球性磁場(chǎng)，但在表面（尤其南半球）廣泛分布著巖石剩磁。
研究表明，地磁場(chǎng)能有效屏蔽太陽(yáng)風(fēng)高能粒子的主要原因在于，地磁場(chǎng)較強(qiáng)、尺度較大、磁場(chǎng)環(huán)境穩(wěn)定，這使得大部分太陽(yáng)風(fēng)粒子被阻擋在磁層外。而部分進(jìn)入磁層的太陽(yáng)風(fēng)粒子和會(huì)在地磁場(chǎng)中呈現(xiàn)出彈跳和漂移運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖2），進(jìn)而容易被地磁場(chǎng)捕獲住。不同于地球，火星雖然缺乏全球性的磁場(chǎng)，但火星表面到處分布著局部、小尺度的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，我們稱這些為殼磁場(chǎng)（如圖2所示）。這些殼磁場(chǎng)可延伸至高達(dá)1000公里處的區(qū)域，并與外部太陽(yáng)風(fēng)發(fā)生相互作用。
圖2. 左圖為帶電粒子在地磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中藍(lán)線為磁力線，黃色曲線代表粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。捕獲粒子會(huì)圍繞磁力線進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)，在南北極進(jìn)行彈跳運(yùn)動(dòng)，同時(shí)會(huì)圍繞著地球進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)。右圖為火星表面小尺度的殼磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。?
那么一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題就自然出現(xiàn)了：火星的小尺度殼磁場(chǎng)能不能捕獲太陽(yáng)風(fēng)粒子？準(zhǔn)確回答這個(gè)問(wèn)題不僅對(duì)于我們認(rèn)識(shí)火星與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用能提供關(guān)鍵的事實(shí)證據(jù)，而且對(duì)于我們探究地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)期間(偶極磁場(chǎng)消失)，乃至未來(lái)地球全球磁場(chǎng)消亡時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)與地磁場(chǎng)的相互作用能提供最有效的對(duì)比參考。
研究這個(gè)問(wèn)題是存在著挑戰(zhàn)性的。前人雖已經(jīng)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)電子可以有效地被火星殼磁場(chǎng)捕獲住。但這一發(fā)現(xiàn)并不意外，因?yàn)殡娮淤|(zhì)量非常小，其回旋半徑小，很容易被磁場(chǎng)約束住。但對(duì)于離子而言，情況就比較復(fù)雜了。由于離子質(zhì)量大、回旋半徑也大，殼磁場(chǎng)空間尺度較小，人們發(fā)現(xiàn)離子在殼磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡是非常不確定的，至今還未找到殼磁場(chǎng)能捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子的確切證據(jù)。這促使人們推測(cè)，火星的殼磁場(chǎng)或許并不能夠有效地捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子。
為從根本上回答這個(gè)問(wèn)題，基于美國(guó)航天局的火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission, MAVEN）所提供的科學(xué)數(shù)據(jù)，以及中國(guó)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(chǎng)模型，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所張馳博士與導(dǎo)師戎昭金研究員、魏勇研究員，和瑞典空間物理研究所、日本京都大學(xué)、日本東京大學(xué)、美國(guó)波士頓大學(xué)、北京大學(xué)、美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、武漢大學(xué)等多家國(guó)內(nèi)外科研單位攜手合作，首次發(fā)現(xiàn)了火星殼磁場(chǎng)能捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子的直接觀測(cè)證據(jù)（如圖3所示）。
具體來(lái)說(shuō)，他們?cè)跈z查了大量的觀測(cè)事件后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)MAVEN飛船穿越火星殼磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，有時(shí)會(huì)探測(cè)到離子能譜呈現(xiàn)出“先上升—后下降”的能量色散結(jié)構(gòu)（圖3）。這一色散現(xiàn)象在地球磁層環(huán)電流附近的觀測(cè)中很普遍，實(shí)際上就是捕獲離子漂移運(yùn)動(dòng)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(dāng)飛船穿越殼磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，在時(shí)序上會(huì)記錄到不同能量的離子，從而會(huì)顯示出這些色散結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)過(guò)深入的數(shù)據(jù)解析，我們發(fā)現(xiàn)這些捕獲離子（主要成分為H+）并非來(lái)源于火星，而是來(lái)源于太陽(yáng)風(fēng)。這表明太陽(yáng)風(fēng)與殼磁場(chǎng)的相互作用發(fā)生了某種物理過(guò)程，使太陽(yáng)風(fēng)離子得以注入到火星殼磁場(chǎng)中。同時(shí)離子的漂移運(yùn)動(dòng)使得高（低）能量的離子傾向于分布在火星殼磁場(chǎng)的內(nèi)部（外部）區(qū)域（參見(jiàn)圖3和圖4）。
圖 3. (a)在殼磁場(chǎng)磁赤道平面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度空間分布。 (b) MAVEN所穿越的磁力線，其對(duì)應(yīng)在磁赤道面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)許分布。(c) 離子能譜。
圖4. 火星殼磁場(chǎng)中太陽(yáng)風(fēng)注入離子的漂移運(yùn)動(dòng)示意圖。低能量（高能量）離子位于殼磁場(chǎng)的外部（內(nèi)部）區(qū)域，導(dǎo)致MAVEN在朝向殼磁場(chǎng)的內(nèi)部（外部）方向移動(dòng)時(shí)會(huì)記錄到離子能量的上升（降低）。
他們的發(fā)現(xiàn)首次揭示火星殼磁場(chǎng)在一定物理?xiàng)l件下能有效捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子。這對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)火星空間環(huán)境，理解地磁場(chǎng)演化與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用，以及比較認(rèn)識(shí)和理解火星和地球的全球氣候環(huán)境演變、地球生物演化等都具有重要的科學(xué)價(jià)值。也能為后續(xù)分析我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)數(shù)據(jù)提供重要的指導(dǎo)方向。
研究成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（Zhang, C.#, Nilsson, H., Ebihara, Y., Yamauchi, M., Persson, M., Rong, Z.*, Zhong, J., Dong, C., Chen, Y., Zhou, X., Sun, Y., Harada, Y., Halekas, J., Xu, S., Futaana, Y., Shi, Z., Yuan, C., Yun, X., Fu, S., Gao, J., Holmstr?m, M., Wei, Y.*, & Barabash, S. (2023). Detection of magnetospheric ion drift patterns at Mars. Nature Communications, 14(1). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42630-7）。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（41922031,41774188）、中國(guó)科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)（鴻鵠專項(xiàng)，XDA17010201）、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)（XDB41000000）、以及中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-201904, IGGCAS-202102）的資助。