在线围观太阳“攻击”我们的邻居火星中科院物理所2023-12-04 20:50北京中科院物理所2023-12-04 20:50北京

太阳风是攻击从太阳表面喷射出的速度约400km/s的高速等离子体流。当太阳风到达地球时，线围星中它会将大量带电粒子送入地球空间，观太并沿着地球的阳们磁力线进入极区 。这些粒子与地球大气相互作用，居火京中京会在地球两极激发绚烂的科院科院极光 。太阳风会带来地磁扰动，物理物理影响全球电力传输 、所北所北无线电通讯、攻击宇航空间环境等等。线围星中但是观太地球也有自己的保护伞，那就是阳们地磁场
。地球磁场保护宜居环境地球中心内核有一层炽热的居火京中京液态铁核 ，铁核中的科院科院“发电机”过程驱动产生了全球偶极型地磁场 。当太阳风掠过地球时，物理物理地磁场就像一把“保护伞”，偏转太阳风的运动路径，从而保护地球免受太阳风的直接冲击。然而，地磁场并非一成不变。在历史上
，地磁场经历过无数次的极性“倒转”和“偏移”，在此期间，地球磁场减弱，太阳风等高能粒子可直接进入地球大气层
，此时地球表面的辐射会增强，宇生同位素产生率也会增加。约400年前，赤道附近西太平洋地区的地磁场强度出现降低，形成“地磁场西太平洋异常”区 ，这使得地磁“保护伞”好似出现了“漏洞” ，能让太阳风粒子更易进入到该区域
，进而在赤道地区引发极光。▲图1. （左图）太阳向外喷射高速带电粒子流（太阳风），“攻击”行星，进而改变行星的空间环境及其宜居性（图片来自网络）。（右图）太阳风粒子通过磁异常区进入地球大气层产生极光的示意图(图片来源：中科院地质与地球物理研究所地星实验室)。火星——研究弱磁场环境的理想星球地磁“保护伞”十分重要，然而 ，研究地磁场强弱变化对太阳风的“阻挡”作用存在着一个显著挑战——地磁场的时间变化尺度太长了
。最近的一次地磁场全球减弱要追溯到至少4万年前的拉尚（Laschamps）磁极漂移时期。我们无法得知那时的空间环境是什么样的 ，太阳风粒子是否会显著轰击到地球表面
，是否会影响地球表面生物的生存环境 。既然如此 ，我们不妨换个思路，把目光投向我们的邻居——火星  。火星为我们认识太阳风与地磁场的作用提供了天然的对比实验室 。它没有全球性的偶极磁场 ，太阳风可直接与火星大气层发生相互作用
。所以火星的空间环境可类比于地球地磁场减弱或消亡时期的情形 ，研究太阳风粒子如何“攻击”火星，可为我们理解地球磁场演化如何影响地球宜居环境提供重要启迪。火星的感应磁层尽管火星本身缺乏全球性磁场，但火星与太阳风的作用，仍会使得它的周围存在磁场。当太阳风携带太阳磁场与火星接触时
，它们会与火星的电离层（一层具有导电性的高层大气）发生复杂的电磁相互作用。在这个过程中
，火星电离层中激发起的电流产生了感应磁场。这个感应磁场阻碍了太阳风直接穿过火星电离层，宛如磁力线“披挂”在火星表面上一般
。▲图2.(左)理论模拟得到的火星感应磁场（图片来源 ：NASA）。(右)实际卫星观测的火星感应磁场（图片来源 ：张驰等人
，2022，JGR）  。火星的壳磁场除了感应磁场之外 ，火星自身的磁场也并未如我们所想的那样“完全消失” 。火星表面散布的一些磁性岩石矿物记录了火星早期（至少37亿年前）存在过的全球磁场，并保存至今
。这些矿物磁场被称作“岩石剩余磁场”或“壳磁场”  。与地球主磁场相比 ，火星的壳磁场相对微弱。这种发现促使我们思考 ：如果未来地球内部液态铁核停止运作
，导致地磁场急剧减弱，我们的地磁场可能会演变成与当前火星壳磁场相似的形态 。这样一来 ，未来的地球可能会与现今的火星展现出惊人的相似性 。▲图3.火星壳磁场位形（图片来源 ：张驰等人 ，2023，NC）鉴于壳磁场的重要性，中国科学院地质与地球物理研究所行星物理学科组于2021年提出了中国首个火星壳磁场模型 ，模型误差水平达到国际最优。基于壳磁场模型，他们发现火星壳磁场在一定程度上充当着与地球磁场相似的角色—— “拦截”和“偏转”大量太阳风粒子入侵，有效减缓太阳风剥蚀火星大气粒子逃逸  
。除“偏转”大量太阳风粒子 ，地磁场屏蔽太阳风的作用还体现为：部分能量较高的太阳风粒子在打进地磁场后容易被地磁场捕获
，同时这些被捕获的粒子会沿磁力线呈现弹跳运动。相比地磁场，火星壳磁场尺度小，强度弱，人们对于壳磁场能否捕获太阳风高能粒子还存在较大争议。学科组的最新研究首次表明，通过特殊物理机制“打进”火星壳磁场中的某些太阳风高能粒子
，同样能被火星壳磁场捕获，最终沉降并耗散在火星大气层中 。相关研究成果以为题发表在国际学术期刊《自然-通讯》上
。因此，考虑到火星壳磁场也能类似地球磁场那样有效屏蔽太阳风粒子 ，我们可形象地将火星壳磁场所形成的屏蔽空间比喻为“迷你磁层”或者“微型磁层”。▲图4. (左)地球磁场捕获太阳风粒子，使得太阳风带电粒子在地磁场中作弹跳、漂移运动（图片来源 ：NASA）。(右)火星壳磁场“捕获”太阳风，使得太阳风粒子被捕获后变为火星大气的一部分（图片来源：张驰等人，2023 ，NC）。对地球空间环境的启示火星空间环境为我们深入认识地磁场倒转时期的地球空间环境提供了一个天然实验室参照 。在地磁场倒转时期，地球的空间环境极有可能如当前火星空间环境一般，地球的局部岩石圈磁场起到如今火星岩石圈磁场的作用：抵挡太阳风直接抵达大气层。现如今 ，地磁场的南大西洋（SAA）地磁负异常区正在显著扩大，人们开始争论地磁场是否已经进入了地磁倒转的开始阶段。如果地磁场真的会在未来的几百年内发生倒转，人们应该提前做好应对地球空间环境演变成火星空间环境的准备
，那时会有更多的太阳风粒子侵入地球大气层
，进而影响整个生物圈
。值得庆幸的是 ，随着我国“天问一号”等卫星对火星空间环境的深入探测，以及“张衡一号”“澳科一号”等地磁卫星对地球磁场的持续监测，科研人员也会对未来地球空间环境的演变获得更加充分 、深入的认识
。参考文献：1.Gao, J., Korte, M., Panovska, S., Rong, Z., & Wei, Y. (2022). Geomagnetic field shielding over the last one hundred thousand years. Journal of Space Weather and Space Climate, 12, 31.2.He, F., Wei, Y., Maffei, S., Livermore, P. W., Davies, C. J., Mound, J., ... & Zhu, R. (2021). Equatorial auroral records reveal dynamics of the paleo-West Pacific geomagnetic anomaly. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(20), e2026080118.3.Zhang, C., Rong, Z., Klinger, L., Nilsson, H., Shi, Z., He, F., Gao, J., Li, X., Futaana, Y., Ramstad, R., Wang, X., Holmström, M., Barabash, S., Fan, K., & Wei, Y. (2022). Three‐Dimensional Configuration of Induced Magnetic Fields Around Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 127(8). https://doi.org/10.1029/2022je0073344.Gao, J. W., Rong, Z. J., Klinger, L., Li, X. Z., Liu, D., & Wei, Y. (2021). A spherical harmonic Martian crustal magnetic field model combining data sets of MAVEN and MGS. Earth and Space Science, 8, e2021EA001860. https://doi.org/10.1029/2021EA0018605.Fan, K., Fraenz, M., Wei, Y., Cui, J., Rong, Z., Chai, L., & Dubinin, E. (2020). Deflection of Global Ion Flow by the Martian Crustal Magnetic Fields. The Astrophysical Journal Letters, 898(2). https://doi.org/10.3847/2041-8213/aba5196.Zhang, C., Nilsson, H., Ebihara, Y., Yamauchi, M., Persson, M., Rong, Z., Zhong, J., Dong, C., Chen, Y., Zhou, X., Sun, Y., Harada, Y., Halekas, J., Xu, S., Futaana, Y., Shi, Z., Yuan, C., Yun, X., Fu, S., Gao, J., Holmström, M., Wei, Y., & Barabash, S. (2023). Detection of magnetospheric ion drift patterns at Mars. Nature Communications, 14(1). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42630-7作者
：张驰、高佳维、王誉棋转载内容仅代表作者观点不代表中科院物理所立场如需转载请联系原公众号来源：中科院之声原标题：在线围观太阳“攻击”我们的邻居火星丨科技最前线编辑：悦悦举报/反馈