我国首次发现火星壳磁场捕获太阳风离子直接证据

太阳风与地壳磁场的相互作用

启动一个物理过程，在这个过程中，太阳风离子“钻入”火星地壳的磁场，然后被火星地壳的磁场捕获并在地壳的磁场中漂移。同时，离子的漂移运动使得高能离子倾向于分布在壳层磁场内部，而低能离子则倾向于分布在壳层磁场的外围区域。

太阳风离子能被火星地壳的磁场捕获吗？针对这一问题，中国学者与国外学者进行了研究，并首次发现了火星地壳磁场捕获太阳风离子的直接证据。研究成果近日发表在国际权威学术期刊《自然通讯》上。

火星表面点缀着局部的小尺度强磁场区域地球

之所以适合居住，其中一个重要原因是地球有一个全球磁场，即地磁场。

结果表明：地磁场较强，

尺度大，磁场环境稳定，使地磁场具有捕获太阳风粒子的能力。这些粒子被地磁场困住，无法进入地球大气层，只能沿着磁力线反弹，绕地球漂移。如果没有地磁场，太阳风将继续轰击地球大气层，使地球环境变得更糟。

地球的“邻居”火星，就是一个典型的例子。“火星目前没有像地球那样的全球磁场保护，所以太阳风可以直接轰击火星大气层，侵蚀火星大气颗粒逃逸，所以火星气候比地球差很多。中国科学院地质与地球物理研究所研究员荣兆金告诉记者。

然而，虽然火星

由于缺乏全球磁场，火星表面，尤其是南半球，广泛分布着局部的、小规模的强磁场区域。“这些在火星岩石中发现的磁场被称为'壳磁场'，可以延伸到1000公里之外。荣兆金说。

那么，火星地壳的磁场能捕获太阳风粒子吗？荣兆金说，要回答这个问题，就要研究壳层的磁场是否能俘获太阳风电子和太阳风离子。

由于电子质量非常小，很容易被磁场限制，因此早已发现火星外壳的磁场可以在太阳风中捕获电子的证据。然而，太阳风离子能否被壳层的磁场捕获的问题在科学界一直没有定论。

荣兆金说，由于地壳磁场的离子质量大、旋转半径大、空间尺度小，离子在地壳磁场中的轨迹非常不确定，这导致科学家始终找不到地壳磁场捕获太阳风离子的确凿证据。“一些科学家甚至推测，火星地壳的磁场可能无法有效捕获太阳风离子。他说。

可为天问一号探测数据分析提供指导

为了揭开这个谜团，中国科学院地质与地球物理研究所的张驰博士与研究人员赵金荣、魏勇一起，与瑞典空间物理研究所、北京大学、武汉大学等国内外多家知名科研机构和高校开展了研究。基于美国国家航空航天局火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）提供的科学数据和中国科学院地质与地球物理研究所行星物理组自主研发的火星地壳磁场模型，研究团队发现，当MAVEN航天器穿过火星地壳磁场区域时， 离子能谱有时呈现出“先上升后下降”的能量色散结构。“这种色散现象在地球磁层辐射带的观测中很普遍，是被俘离子漂移运动的直接反映。荣兆金说。

研究

研究小组发现，当航天器通过壳体的磁场区域时，船上的科研设备会在时间序列中记录不同能量的离子，从而揭示这些分散结构特征。经过进一步分析，他们发现被捕获的离子不是来自火星，而是来自太阳风。“在这个高度，火星的离子组成主要是O+和O2+。然而，我们发现被俘离子组成主要是H+，而不是O+或O2+，因此我们判断H+起源于外太阳风。容兆瑾解释道。

这些发现表明，太阳风与地壳磁场之间的相互作用

触发一个物理过程，在这个过程中，太阳风离子“钻”入火星地壳的磁场，然后被火星地壳的磁场捕获并在地壳的磁场中漂移。同时，离子的漂移运动使得高能离子倾向于分布在壳层磁场内部，而低能离子则倾向于分布在壳层磁场的外围区域。

这项研究首次揭示了火星地壳的磁场在一定的物理条件下可以有效地捕获太阳风离子。“这一发现将有助于人类进一步了解火星的空间环境，了解地磁场演化与太阳风之间的相互作用。同时，这项研究对人类认识火星和地球气候环境的演化，以及地球生物的演化具有重要的科学价值。此外，该研究还可为后续分析我国天问一号火星探测数据提供重要指导。荣兆金说。