火星大氣逃逸是火星探測的核心科學問題。研究火星大氣逃逸有助於我們深入理解火星全球氣候環境的演變過程。研究表明，太陽風是驅動火星大氣粒子逃逸的最有效驅動源。這是因為火星沒有全球磁場，太陽風可直接與火星電離層或大氣離子發生相互作用，並透過電磁力不斷剝蝕、加速大氣離子逃逸到行星際空間中。
早期觀測表明，太陽風與火星電離層相互作用可驅動或剝離大團的火星電離層離子（如O+,O₂+）， 形成“等離子體雲”爆發式、整體式地逃逸掉（如圖1）。然而受制於飛船的觀測高度和儀器探測效能，多年來人們對於“等離子體雲”，尤其是低高度的“等離子體雲”的形成與演化機理還知之甚少。
圖1 火星等離子體雲示意圖
為此, 利用美國MAVEN火星探測器搭載的多種高效能科學探測儀器的資料觀測，中國科學院地質與地球物理研究所博士生張馳與導師戎昭金研究員、魏勇研究員和瑞典空間物理研究所、德國馬普太陽系研究所、美國加州大學伯克利分校等多家國際科研機構共同合作，首次發現並報道了火星低高度（600km）範圍內觀測到的週期性等離子體雲結構（如圖2所示）。
圖2 MAVEN觀測的週期性等離子體雲。從上至下，分別為O+能譜、O₂+能譜、磁場、速度及飛船高度的時序變化圖
不同於以往的研究，該週期性低高度的“等離子體雲”結構顯示出一系列新的觀測特徵：離子能譜呈現出色散特徵（能量高的離子可較早被觀測到），不同火星離子成分具有大致相同的速度，且等離子體雲的出現會伴隨著總磁場增加，以及強的太陽風電子沉降特徵。分析結果表明這些等離子體雲是起源於低高度電離層區域（～120 km高度），沿著開放磁力線尾向逃逸。且估算表明，在該事件中“等離子體雲”可顯著提高火星大氣離子的逃逸率。這表明“等離子體雲”是火星大氣離子逃逸的一種主要方式。
根據這些觀測特徵，如圖3所示，他們提出“等離子體雲”的可能形成機制應為：週期性的太陽風壓縮火星磁層，誘發太陽風磁場與火星殼磁場之間發生週期性地磁場重聯，磁場重聯產生了開放磁力線以及沉降的太陽風等離子體，沉降的太陽風等離子體會加熱低高度電離層等離子體，從而使得這些低高度等離子體週期性地向外逃逸。
圖3 等離子體雲的形成機制示意圖
該研究首次報道了火星低高度等離子體雲結構，並提出了其可能產生的物理機制，對於我們理解火星離子逃逸以及太陽風與火星相互作用具有重要的科學意義，也為後續分析我國“天問一號”火星探測資料提供了重要的指導方向。
研究成果發表於國際學術期刊APJL(張馳, 戎昭金*， Nilsson H, et al. MAVEN Observations of Periodic Low-altitude Plasma Clouds at Mars. The Astrophysical Journal Letters,2021, 922: L33. DOI: 10.3847/2041-8213/ac3a7d）。本研究得到國家自然科學基金（41922031,41774188）、中科院A類先導專項（鴻鵠專項，XDA17010201）、中國科學院地質與地球物理研究所重要研究課題（IGGCAS-201904, IGGCAS-202102）、以及國家留學基金委（202104910297）等專案的資助。
校對：王海波
美編：陳菲菲
