研究發(fā)現(xiàn)火星殼磁場(chǎng)可捕獲太陽風(fēng)離子
◎本報(bào)記者 代小佩
太陽風(fēng)與殼磁場(chǎng)的相互作用引發(fā)了某種物理過程,使太陽風(fēng)離子“鉆進(jìn)”火星殼磁場(chǎng)中,進(jìn)而被火星殼磁場(chǎng)捕獲,并在殼磁場(chǎng)中做漂移運(yùn)動(dòng)。同時(shí),離子的漂移運(yùn)動(dòng)使得高能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)內(nèi)部,而低能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)外部區(qū)域。
太陽風(fēng)離子究竟能不能被火星殼磁場(chǎng)捕獲?針對(duì)這個(gè)問題,我國學(xué)者聯(lián)合國外學(xué)者開展了研究,并首次發(fā)現(xiàn)了火星殼磁場(chǎng)捕獲太陽風(fēng)離子的直接證據(jù)。該研究成果近日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》上。
火星表面分布著局部小尺度強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)
地球之所以宜居,一個(gè)重要原因就是,地球存在全球性磁場(chǎng),即地磁場(chǎng)。
研究表明,地磁場(chǎng)較強(qiáng)、尺度較大、磁場(chǎng)環(huán)境穩(wěn)定,這使得地磁場(chǎng)具有捕獲太陽風(fēng)粒子的能力。這些被地磁場(chǎng)捕獲的粒子無法進(jìn)入地球大氣層,只能沿著磁力線彈跳,并環(huán)繞地球進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)。假如沒有地磁場(chǎng),太陽風(fēng)就會(huì)不斷轟擊地球大氣,使地球環(huán)境變得惡劣。
地球的“鄰居”火星,就是一個(gè)典型例子。“火星當(dāng)前沒有像地球那樣的全球性磁場(chǎng)保護(hù),因此太陽風(fēng)可以直接轟擊火星大氣,并剝蝕火星大氣粒子致其逃逸,因而火星氣候環(huán)境比地球惡劣得多?!敝袊茖W(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員戎昭金告訴記者。
不過,雖然火星缺乏全球性磁場(chǎng),但火星表面(尤其南半球)廣泛分布著局部的、小尺度的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)。“這些磁場(chǎng)存在于火星巖石中,被稱為‘殼磁場(chǎng)’,可延伸至高達(dá)1000公里處的區(qū)域?!比终呀鹫f。
那么,火星的殼磁場(chǎng)能不能捕獲太陽風(fēng)粒子?戎昭金表示,要回答這個(gè)問題,就需要研究殼磁場(chǎng)能否捕獲太陽風(fēng)電子和太陽風(fēng)離子。
由于電子質(zhì)量非常小,易被磁場(chǎng)約束,因此火星殼磁場(chǎng)能捕獲太陽風(fēng)電子的證據(jù)早已被發(fā)現(xiàn)。但“太陽風(fēng)離子能不能被殼磁場(chǎng)捕獲”這個(gè)問題在科學(xué)界一直沒有定論。
戎昭金表示,由于離子質(zhì)量大、回旋半徑大,而殼磁場(chǎng)空間尺度較小,因此離子在殼磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡非常不確定,這導(dǎo)致科學(xué)家一直未找到殼磁場(chǎng)捕獲太陽風(fēng)離子的確切證據(jù)?!吧踔劣锌茖W(xué)家推測(cè),火星殼磁場(chǎng)或許并不能有效捕獲太陽風(fēng)離子。”他說。
或可為分析天問一號(hào)探測(cè)數(shù)據(jù)提供指導(dǎo)方向
為了揭開謎團(tuán),來自中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的張馳博士與戎昭金以及魏勇研究員,聯(lián)合瑞典空間物理研究所、北京大學(xué)、武漢大學(xué)等多家國內(nèi)外知名科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)一起展開了研究。基于美國航天局的火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)(MAVEN)提供的科學(xué)數(shù)據(jù),以及中國科學(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,研究團(tuán)隊(duì)在分析大量觀測(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)?!斑@一色散現(xiàn)象在地球磁層輻射帶觀測(cè)中普遍存在,是被捕獲離子進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)的直接反映。”戎昭金說。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)飛船穿越殼磁場(chǎng)區(qū)域時(shí),其搭載的科研設(shè)備在時(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)過深入解析,他們發(fā)現(xiàn)這些被捕獲的離子并非來源于火星,而是來源于太陽風(fēng)?!霸谶@個(gè)高度上,火星離子成分主要是O+和O2+。但我們發(fā)現(xiàn),被捕獲的離子成分主要為H+,而非O+或O2+, 因此我們判斷H+來源于外部太陽風(fēng)?!比终呀鸾忉尩?。
上述發(fā)現(xiàn)表明,太陽風(fēng)與殼磁場(chǎng)的相互作用引發(fā)了某種物理過程,使太陽風(fēng)離子“鉆進(jìn)”火星殼磁場(chǎng)中,進(jìn)而被火星殼磁場(chǎng)捕獲,并在殼磁場(chǎng)中做漂移運(yùn)動(dòng)。同時(shí),離子的漂移運(yùn)動(dòng)使得高能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)內(nèi)部,而低能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)外部區(qū)域。
該研究首次揭示了火星殼磁場(chǎng)在一定物理?xiàng)l件下能有效捕獲太陽風(fēng)離子?!斑@一發(fā)現(xiàn)有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)火星空間環(huán)境,理解地磁場(chǎng)演化與太陽風(fēng)的相互作用。同時(shí),該研究對(duì)人類認(rèn)識(shí)火星和地球的氣候環(huán)境演變,以及地球生物演化等都具有重要科學(xué)價(jià)值。此外,該研究也能為后續(xù)分析我國天問一號(hào)的火星探測(cè)數(shù)據(jù)提供重要指導(dǎo)方向。”戎昭金說。
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