作者：吳剛（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院）
監(jiān)制：中國科普博覽
在浩瀚的宇宙中，火星這顆紅色星球始終吸引著人類的目光。它荒涼的地表下隱藏著一個(gè)巨大的謎團(tuán)——曾經(jīng)可能擁有海洋和河流的火星，如今為何變成了一片干涸的荒漠？近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)問題上取得了突破性進(jìn)展，他們通過磁流體力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)了火星氫離子逃逸的潛在主導(dǎo)機(jī)制，為理解火星大氣演化和宜居性喪失提供了新的視角。
祝融號(hào)火星車與著陸器在火星表面的合照，由其釋放的一臺(tái)分離式相機(jī)拍攝
（來源：新聞聯(lián)播）
氫離子的太空逃亡路徑
火星大氣層中的氫離子向太空逃逸，是火星失水的重要原因之一。長期以來，科學(xué)家們一直認(rèn)為，這些氫離子主要是通過火星磁尾的電離層出流而損失的。然而，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心以及南京大學(xué)深空探測科學(xué)與技術(shù)研究院的研究人員，通過精密的五流體磁流體力學(xué)模型，得出了令人意外的結(jié)論。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，火星氫離子損失的主要源頭并非傳統(tǒng)認(rèn)為的電離層離子通過磁尾的出流，而是氫外逸層電離產(chǎn)生的新生氫離子逃逸。這個(gè)發(fā)現(xiàn)顛覆了科學(xué)界的傳統(tǒng)認(rèn)知。模擬結(jié)果顯示，超過90%的氫離子損失發(fā)生在磁鞘和太陽風(fēng)區(qū)域，而通過磁尾逃逸的氫離子僅占總逃逸率的5%左右。這意味著，我們需要重新審視火星大氣逃逸的物理機(jī)制。
火星與地球相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
（圖片來源：維基百科）
拾取離子：被太陽風(fēng)“綁架”的氫原子
那么，這些氫離子是如何逃離火星引力束縛的呢？答案就在“拾取離子加速”這一獨(dú)特的物理過程中。當(dāng)火星外層大氣（外逸層）中的中性氫原子與太陽風(fēng)中的質(zhì)子發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)生電荷交換反應(yīng)，中性氫原子失去電子變成氫離子，而太陽風(fēng)質(zhì)子則獲得電子變成中性原子。新生成的氫離子立即被太陽風(fēng)的對(duì)流電場捕獲并加速，就像被太陽風(fēng)“綁架”了一樣。
這種拾取加速為氫離子提供了足夠的能量來克服火星引力并逃逸到太空。研究發(fā)現(xiàn)，離子成分邊界的位置在這個(gè)過程中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。離子成分邊界是太陽風(fēng)等離子體與行星離子之間的分界面，在這個(gè)邊界上方，離子的運(yùn)動(dòng)主要受太陽風(fēng)對(duì)流電場控制。由于氫離子的回旋半徑較小，小于火星感應(yīng)磁層的特征尺寸，它們表現(xiàn)出與太陽風(fēng)流對(duì)齊的尾部逃逸軌跡，而不像氧離子那樣形成明顯的離子羽流。
有趣的是，研究還發(fā)現(xiàn)，拾取的氫離子主要起源于離子成分邊界之外，這是因?yàn)樵谶吔缣幖铀俚臍潆x子由于較小的回旋半徑會(huì)再循環(huán)回電離層。相比之下，氧分子離子則被離子成分邊界處的強(qiáng)電場有效加速，形成離子羽流，確認(rèn)了它們的電離層起源。這種差異揭示了不同質(zhì)量離子在火星磁層環(huán)境中的獨(dú)特行為模式。
沙塵暴與太陽風(fēng)暴的推波助瀾
火星上的沙塵暴不僅改變著這顆紅色星球的地貌，還深刻影響著它的大氣逃逸過程。研究團(tuán)隊(duì)通過模擬發(fā)現(xiàn)，季節(jié)性重復(fù)或沙塵暴驅(qū)動(dòng)的氫外逸層密度變化，可以顯著調(diào)節(jié)氫離子逃逸率。在火星南半球夏季的沙塵暴期間，大氣加熱和水汽輸送會(huì)導(dǎo)致氫外逸層密度增加，進(jìn)而增強(qiáng)氫離子的逃逸。模擬結(jié)果表明，在沙塵暴條件下，氫離子逃逸率可以增加到正常條件下的三倍以上。
更引人注目的是太陽風(fēng)條件對(duì)氫離子逃逸的影響。當(dāng)日冕物質(zhì)拋射等空間天氣事件發(fā)生時(shí)，增強(qiáng)的太陽風(fēng)通量會(huì)直接放大氫離子的產(chǎn)生率。在極端太陽風(fēng)條件下（太陽風(fēng)密度增加三倍、速度增加一倍），全球氫離子逃逸率可以激增五倍以上。這種對(duì)太陽風(fēng)通量的依賴性凸顯了拾取離子逃逸通道在火星歷史上對(duì)氫損失的重要性。
研究還考察了火星殼磁場位置的影響。當(dāng)殼磁場位于夜側(cè)時(shí)，由于減少了日側(cè)的磁場屏蔽，離子成分邊界的高度降低，使更多離子暴露于太陽風(fēng)加速作用下，從而略微增加了氫離子逃逸率。這些發(fā)現(xiàn)表明，火星氫離子逃逸是一個(gè)受內(nèi)部和外部多種因素共同控制的復(fù)雜過程。
火星演化史的新線索
盡管現(xiàn)今條件下氫離子全球逃逸率比中性氫原子的熱逃逸率低1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，表明氫離子逃逸在當(dāng)前火星大氣損失中扮演次要角色，但這項(xiàng)研究為理解火星的長期演化提供了重要線索。在火星歷史的早期，當(dāng)太陽更年輕、太陽風(fēng)更強(qiáng)烈時(shí)，拾取離子逃逸過程可能以更快的速度剝奪火星的氫元素，進(jìn)而導(dǎo)致水的大量損失。
這一發(fā)現(xiàn)與我國“天問一號(hào)”火星探測器的科學(xué)目標(biāo)高度契合。天問一號(hào)搭載的火星離子與中性粒子分析儀正在對(duì)火星離子逃逸進(jìn)行觀測，有望為這一理論提供更多觀測證據(jù)。通過結(jié)合地面模擬和空間探測，科學(xué)家們正在逐步拼湊出火星從溫暖濕潤世界轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉旄稍镄乔虻耐暾麍D景。
研究團(tuán)隊(duì)使用的五流體磁流體力學(xué)模型能夠分別求解太陽風(fēng)質(zhì)子、行星氫離子、氧離子、氧分子離子和二氧化碳離子的連續(xù)性、動(dòng)量和能量方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子加速、輸運(yùn)和逃逸過程的詳細(xì)分析。模型采用了從火星表面上方100公里延伸到40個(gè)火星半徑的大型計(jì)算域，避免了邊界效應(yīng)的影響。這種高精度的數(shù)值模擬為理解復(fù)雜的等離子體相互作用提供了強(qiáng)有力的工具。
展望：理解行星宜居性的鑰匙
這項(xiàng)發(fā)表在《地球物理研究快報(bào)》上的研究成果，不僅加深了我們對(duì)火星大氣逃逸機(jī)制的理解，也為研究其他類地行星的大氣演化提供了重要參考?；鹦亲鳛榈厍虻慕彛浯髿庋莼瘹v程對(duì)理解地球自身的宜居性維持機(jī)制具有重要啟示意義。
隨著人類探索火星的步伐不斷加快，理解火星大氣逃逸的物理過程變得愈發(fā)重要。這不僅有助于重建火星的氣候歷史，預(yù)測其未來的演化趨勢，還可能為未來的火星改造計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。中國科學(xué)家在這一前沿領(lǐng)域取得的突破，標(biāo)志著我國在行星科學(xué)研究中正發(fā)揮著越來越重要的作用。
火星氫離子逃逸的故事，是一個(gè)關(guān)于時(shí)間、空間和物質(zhì)相互作用的宏大敘事。從微觀的電荷交換反應(yīng)到宏觀的行星演化，從瞬時(shí)的太陽風(fēng)暴到漫長的地質(zhì)年代，這項(xiàng)研究將不同時(shí)空尺度的物理過程巧妙地聯(lián)系在一起，展現(xiàn)了行星科學(xué)研究的魅力。隨著更多探測數(shù)據(jù)的積累和理論模型的完善，我們終將揭開火星失水之謎的全貌，并從中獲得保護(hù)地球家園的智慧。
祝融號(hào)火星車拍攝的火星表面
（來源：新聞聯(lián)播）
參考文獻(xiàn)：
【1】Xu,Q.,Xie,L.,Li,L.,Zhang,Y.,Wang,L.,Qiao,F.,et al. (2025). The importance of pickup H+ escape at Mars. Geophysical Research Letters,52,e2025GL117053. https://doi.org/10.1029/2025GL117053