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地质地球所研究提出火星局部磁场偏转太阳风流并阻碍大气离子逃逸

  
  行星大气(如大气中的氧成分)能够通过离子逃逸的形式损失至行星际空间,这一过程经过几十亿年的累积效应,改变了大气成分的物质比例,可能是触发生物物种灭绝事件的诱因之一。地球的全球性内禀磁场有效阻碍太阳风流与地球大气的直接接触,降低了地球离子成分逃逸至行星际空间导致的大气损失。 
    由于火星缺乏类似地球的全球性磁场环境,其高层大气中的氧离子、氧分子离子直接暴露在太阳风的剥蚀之中(图1)。太阳风驱动的离子逃逸过程导致火星在三十余亿年里损失了90%以上的大气,也是造成火星地表液态水消失的主要原因之一。1999年,人类首次在火星南半球发现区域性分布的地壳剩余磁场(Crustal magnetic field)。但是,这一局部磁场能否阻碍太阳风与火星离子之间的相互作用、能否有效保护火星大气引起了学术界的持续争论。 

   

  图1 行星磁场对太阳风流的阻碍作用(左图自ESA,右图自NASA) 

  中国科学院地质与地球物理研究所范开博士研究生与导师魏勇研究员和德国马克思普朗克太阳系研究所Markus Fraenz教授、中山大学崔峻教授等合作,根据美国MAVEN火星探测器2014至2018年高精度离子观测数据,首次发现火星剩余磁场在向阳面500至1000公里区域能够显著阻隔太阳风等离子体向南半球强磁场区域的注入。其中,太阳风源的H+分布在北半球弱磁场区;而在火星南半球强剩余磁场区域则与之相反,分布着火星电离层源的O+和O2+(图2)。两种不同来源的离子成分沿剩余磁场边界呈现典型的南-北不对称分布,且离子速度流线在强磁场区发生明显偏转。另外,火星南半球强剩余磁场区内O+和O2+的离子回旋半径比北半球无磁场区减少近两个量级(图3),表明剩余磁场有效束缚了火星大气离子使其更难发生直接性逃逸损失。 

   

  图2 火星向阳面500-600公里区域离子通量、速度流线分布图 

   

  图3 O+、O2+回旋半径分布图 

  研究结果首次证实火星表面残存的局域性剩余磁场能够有效阻碍太阳风-火星大气相互作用并且在其上空束缚能量低于30eV的重离子成分。在伴随火星自转的过程中,剩余磁场对背景离子流的晨-昏输运过程同样存在阻碍作用(图4)。这些新发现不仅证实局部磁场对大气成分的保护作用,对进一步认识行星磁场(全球内禀磁场或局部磁场)与行星大气演化历史之间的关系存在重要意义,对于研究地球地磁倒转期间弱磁场环境下大气逃逸过程对行星生态环境的影响具有重要的指导作用。 

 

  图4 剩余磁场对离子流阻碍作用示意图 

  研究成果发表于国际权威学术期刊The Astrophysical Journal Letters。(范开,Fraenz M,魏勇,崔峻,戎昭金柴立晖,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)(原文链接)。本研究得到中科院A类先导专项(鸿鹄专项,XDA17010201)、国家自然科学基金等项目的资助。 

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