火星大氣逃逸是火星探測的核心科學問題。研究火星大氣逃逸有助于我們深入理解火星全球氣候環(huán)境的演變過程。研究表明，太陽風是驅(qū)動火星大氣粒子逃逸的最有效驅(qū)動源。這是因為火星沒有全球磁場，太陽風可直接與火星電離層或大氣離子發(fā)生相互作用，并通過電磁力不斷剝蝕、加速大氣離子逃逸到行星際空間中。
早期觀測表明，太陽風與火星電離層相互作用可驅(qū)動或剝離大團的火星電離層離子（如O+,O2+）， 形成“等離子體云”爆發(fā)式、整體式地逃逸掉（如圖1）。然而受制于飛船的觀測高度和儀器探測性能，多年來人們對于“等離子體云”，尤其是低高度的“等離子體云”的形成與演化機理還知之甚少。
圖1 火星等離子體云示意圖
為此, 利用美國MAVEN火星探測器搭載的多種高性能科學探測儀器的數(shù)據(jù)觀測，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所博士生張馳與導師戎昭金研究員、魏勇研究員和瑞典空間物理研究所、德國馬普太陽系研究所、美國加州大學伯克利分校等多家國際科研機構(gòu)共同合作，首次發(fā)現(xiàn)并報道了火星低高度（600 km）范圍內(nèi)觀測到的周期性等離子體云結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。
圖2 MAVEN觀測的周期性等離子體云。從上至下，分別為O+能譜、O2+能譜、磁場、速度及飛船高度的時序變化圖
不同于以往的研究，該周期性低高度的“等離子體云”結(jié)構(gòu)顯示出一系列新的觀測特征：離子能譜呈現(xiàn)出色散特征（能量高的離子可較早被觀測到），不同火星離子成分具有大致相同的速度，且等離子體云的出現(xiàn)會伴隨著總磁場增加，以及強的太陽風電子沉降特征。分析結(jié)果表明這些等離子體云是起源于低高度電離層區(qū)域（～120 km高度），沿著開放磁力線尾向逃逸。且估算表明，在該事件中“等離子體云”可顯著提高火星大氣離子的逃逸率。這表明“等離子體云”是火星大氣離子逃逸的一種主要方式。
根據(jù)這些觀測特征，如圖3所示，他們提出“等離子體云”的可能形成機制應(yīng)為：周期性的太陽風壓縮火星磁層，誘發(fā)太陽風磁場與火星殼磁場之間發(fā)生周期性地磁場重聯(lián)，磁場重聯(lián)產(chǎn)生了開放磁力線以及沉降的太陽風等離子體，沉降的太陽風等離子體會加熱低高度電離層等離子體，從而使得這些低高度等離子體周期性地向外逃逸。
圖3 等離子體云的形成機制示意圖
該研究首次報道了火星低高度等離子體云結(jié)構(gòu)，并提出了其可能產(chǎn)生的物理機制，對于我們理解火星離子逃逸以及太陽風與火星相互作用具有重要的科學意義，也為后續(xù)分析我國“天問一號”火星探測數(shù)據(jù)提供了重要的指導方向。
研究成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊APJL(張馳, 戎昭金*， Nilsson H, et al. MAVEN Observations of Periodic Low-altitude Plasma Clouds at Mars. The Astrophysical Journal Letters,2021, 922: L33. DOI: 10.3847/2041-8213/ac3a7d）。本研究得到國家自然科學基金（41922031,41774188）、中科院A類先導專項（鴻鵠專項，XDA17010201）、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所重要研究課題（IGGCAS-201904, IGGCAS-202102）、以及國家留學基金委（202104910297）等項目的資助。