行星大氣（如大氣中的氧成分）能夠通過離子逃逸的形式損失至行星際空間，這一過程經(jīng)過幾十億年的累積效應(yīng)，改變了大氣成分的物質(zhì)比例，可能是觸發(fā)生物物種滅絕事件的誘因之一。地球的全球性內(nèi)稟磁場有效阻礙太陽風流與地球大氣的直接接觸，降低了地球離子成分逃逸至行星際空間導致的大氣損失。 

　　由于火星缺乏類似地球的全球性磁場環(huán)境，其高層大氣中的氧離子、氧分子離子直接暴露在太陽風的剝蝕之中（圖1）。太陽風驅(qū)動的離子逃逸過程導致火星在三十余億年里損失了90%以上的大氣，也是造成火星地表液態(tài)水消失的主要原因之一。1999年，人類首次在火星南半球發(fā)現(xiàn)區(qū)域性分布的地殼剩余磁場（Crustal magnetic field）。但是，這一局部磁場能否阻礙太陽風與火星離子之間的相互作用、能否有效保護火星大氣引起了學術(shù)界的持續(xù)爭論。 

圖1 行星磁場對太陽風流的阻礙作用（左圖自ESA，右圖自NASA）

　　中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所范開博士研究生與導師魏勇研究員和德國馬克思普朗克太陽系研究所Markus Fraenz教授、中山大學崔峻教授等合作，根據(jù)美國MAVEN火星探測器2014至2018年高精度離子觀測數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)火星剩余磁場在向陽面500至1000公里區(qū)域能夠顯著阻隔太陽風等離子體向南半球強磁場區(qū)域的注入。其中，太陽風源的H⁺分布在北半球弱磁場區(qū)；而在火星南半球強剩余磁場區(qū)域則與之相反，分布著火星電離層源的O⁺和O₂⁺（圖2）。兩種不同來源的離子成分沿剩余磁場邊界呈現(xiàn)典型的南-北不對稱分布，且離子速度流線在強磁場區(qū)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。另外，火星南半球強剩余磁場區(qū)內(nèi)O⁺和O₂⁺的離子回旋半徑比北半球無磁場區(qū)減少近兩個量級（圖3），表明剩余磁場有效束縛了火星大氣離子使其更難發(fā)生直接性逃逸損失。 

圖2 火星向陽面500-600公里區(qū)域離子通量、速度流線分布圖

圖3 O⁺、O₂⁺回旋半徑分布圖

　　研究結(jié)果首次證實火星表面殘存的局域性剩余磁場能夠有效阻礙太陽風-火星大氣相互作用并且在其上空束縛能量低于30eV的重離子成分。在伴隨火星自轉(zhuǎn)的過程中，剩余磁場對背景離子流的晨-昏輸運過程同樣存在阻礙作用（圖4）。這些新發(fā)現(xiàn)不僅證實局部磁場對大氣成分的保護作用，對進一步認識行星磁場（全球內(nèi)稟磁場或局部磁場）與行星大氣演化歷史之間的關(guān)系存在重要意義，對于研究地球地磁倒轉(zhuǎn)期間弱磁場環(huán)境下大氣逃逸過程對行星生態(tài)環(huán)境的影響具有重要的指導作用。 

圖4 剩余磁場對離子流阻礙作用示意圖

　　研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學術(shù)期刊The Astrophysical Journal Letters。（范開，Fraenz M，魏勇，崔峻，戎昭金，柴立暉，Dubinin E. Deflection of Global Ion Flow by the Martian Crustal Magnetic Fields[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2020, 898: L54. DOI: 10.3847/2041-8213/aba519）（原文鏈接）。本研究得到中科院A類先導專項（鴻鵠專項，XDA17010201）、國家自然科學基金等項目的資助。