在線(xiàn)圍觀(guān)太陽(yáng)“攻擊”我們的鄰居火星

太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)表面噴射出的速度約400km/s的高速等離子體流。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地球時(shí)，它會(huì)將大量帶電粒子送入地球空間，并沿著地球的磁力線(xiàn)進(jìn)入極區(qū)。這些粒子與地球大氣相互作用，會(huì)在地球兩極激發(fā)絢爛的極光。

太陽(yáng)風(fēng)會(huì)帶來(lái)地磁擾動(dòng)，影響全球電力傳輸、無(wú)線(xiàn)電通訊、宇航空間環(huán)境等等。但是地球也有自己的保護(hù)傘，那就是地磁場(chǎng)。

地球磁場(chǎng)保護(hù)宜居環(huán)境

地球中心內(nèi)核有一層熾熱的液態(tài)鐵核，鐵核中的“發(fā)電機(jī)”過(guò)程驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了全球偶極型地磁場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)掠過(guò)地球時(shí)，地磁場(chǎng)就像一把“保護(hù)傘”，偏轉(zhuǎn)太陽(yáng)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)路徑，從而保護(hù)地球免受太陽(yáng)風(fēng)的直接沖擊。

然而，地磁場(chǎng)并非一成不變。在歷史上，地磁場(chǎng)經(jīng)歷過(guò)無(wú)數(shù)次的極性“倒轉(zhuǎn)”和“偏移”，在此期間，地球磁場(chǎng)減弱，太陽(yáng)風(fēng)等高能粒子可直接進(jìn)入地球大氣層，此時(shí)地球表面的輻射會(huì)增強(qiáng)，宇生同位素產(chǎn)生率也會(huì)增加。

約400年前，赤道附近西太平洋地區(qū)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)降低，形成“地磁場(chǎng)西太平洋異?！眳^(qū)，這使得地磁“保護(hù)傘”好似出現(xiàn)了“漏洞”，能讓太陽(yáng)風(fēng)粒子更易進(jìn)入到該區(qū)域，進(jìn)而在赤道地區(qū)引發(fā)極光。

▲圖1. （左圖）太陽(yáng)向外噴射高速帶電粒子流（太陽(yáng)風(fēng)），“攻擊”行星，進(jìn)而改變行星的空間環(huán)境及其宜居性（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）。（右圖）太陽(yáng)風(fēng)粒子通過(guò)磁異常區(qū)進(jìn)入地球大氣層產(chǎn)生極光的示意圖(圖片來(lái)源：中科院地質(zhì)與地球物理研究所地星實(shí)驗(yàn)室)。

火星——研究弱磁場(chǎng)環(huán)境的理想星球

地磁“保護(hù)傘”十分重要，然而，研究地磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的“阻擋”作用存在著一個(gè)顯著挑戰(zhàn)——地磁場(chǎng)的時(shí)間變化尺度太長(zhǎng)了。

最近的一次地磁場(chǎng)全球減弱要追溯到至少4萬(wàn)年前的拉尚（Laschamps）磁極漂移時(shí)期。我們無(wú)法得知那時(shí)的空間環(huán)境是什么樣的，太陽(yáng)風(fēng)粒子是否會(huì)顯著轟擊到地球表面，是否會(huì)影響地球表面生物的生存環(huán)境。

既然如此，我們不妨換個(gè)思路，把目光投向我們的鄰居——火星。

火星為我們認(rèn)識(shí)太陽(yáng)風(fēng)與地磁場(chǎng)的作用提供了天然的對(duì)比實(shí)驗(yàn)室。它沒(méi)有全球性的偶極磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)可直接與火星大氣層發(fā)生相互作用。所以火星的空間環(huán)境可類(lèi)比于地球地磁場(chǎng)減弱或消亡時(shí)期的情形，研究太陽(yáng)風(fēng)粒子如何“攻擊”火星，可為我們理解地球磁場(chǎng)演化如何影響地球宜居環(huán)境提供重要啟迪。

火星的感應(yīng)磁層

盡管火星本身缺乏全球性磁場(chǎng)，但火星與太陽(yáng)風(fēng)的作用，仍會(huì)使得它的周?chē)嬖诖艌?chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)攜帶太陽(yáng)磁場(chǎng)與火星接觸時(shí)，它們會(huì)與火星的電離層（一層具有導(dǎo)電性的高層大氣）發(fā)生復(fù)雜的電磁相互作用。在這個(gè)過(guò)程中，火星電離層中激發(fā)起的電流產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng)。這個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)阻礙了太陽(yáng)風(fēng)直接穿過(guò)火星電離層，宛如磁力線(xiàn)“披掛”在火星表面上一般。

▲圖2.(左)理論模擬得到的火星感應(yīng)磁場(chǎng)（圖片來(lái)源：NASA）。(右)實(shí)際衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的火星感應(yīng)磁場(chǎng)（圖片來(lái)源：張馳等人，2022，JGR）。

火星的殼磁場(chǎng)

除了感應(yīng)磁場(chǎng)之外，火星自身的磁場(chǎng)也并未如我們所想的那樣“完全消失”?；鹦潜砻嫔⒉嫉囊恍┐判詭r石礦物記錄了火星早期（至少37億年前）存在過(guò)的全球磁場(chǎng)，并保存至今。這些礦物磁場(chǎng)被稱(chēng)作“巖石剩余磁場(chǎng)”或“殼磁場(chǎng)”。與地球主磁場(chǎng)相比，火星的殼磁場(chǎng)相對(duì)微弱。

這種發(fā)現(xiàn)促使我們思考：如果未來(lái)地球內(nèi)部液態(tài)鐵核停止運(yùn)作，導(dǎo)致地磁場(chǎng)急劇減弱，我們的地磁場(chǎng)可能會(huì)演變成與當(dāng)前火星殼磁場(chǎng)相似的形態(tài)。這樣一來(lái)，未來(lái)的地球可能會(huì)與現(xiàn)今的火星展現(xiàn)出驚人的相似性。

▲圖3.火星殼磁場(chǎng)位形（圖片來(lái)源：張馳等人，2023，NC）

鑒于殼磁場(chǎng)的重要性，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星物理學(xué)科組于2021年提出了中國(guó)首個(gè)火星殼磁場(chǎng)模型，模型誤差水平達(dá)到國(guó)際最優(yōu)?；跉ご艌?chǎng)模型，他們發(fā)現(xiàn)火星殼磁場(chǎng)在一定程度上充當(dāng)著與地球磁場(chǎng)相似的角色—— “攔截”和“偏轉(zhuǎn)”大量太陽(yáng)風(fēng)粒子入侵，有效減緩太陽(yáng)風(fēng)剝蝕火星大氣粒子逃逸 。

除“偏轉(zhuǎn)”大量太陽(yáng)風(fēng)粒子，地磁場(chǎng)屏蔽太陽(yáng)風(fēng)的作用還體現(xiàn)為：部分能量較高的太陽(yáng)風(fēng)粒子在打進(jìn)地磁場(chǎng)后容易被地磁場(chǎng)捕獲，同時(shí)這些被捕獲的粒子會(huì)沿磁力線(xiàn)呈現(xiàn)彈跳運(yùn)動(dòng)。相比地磁場(chǎng)，火星殼磁場(chǎng)尺度小，強(qiáng)度弱，人們對(duì)于殼磁場(chǎng)能否捕獲太陽(yáng)風(fēng)高能粒子還存在較大爭(zhēng)議。

學(xué)科組的最新研究首次表明，通過(guò)特殊物理機(jī)制“打進(jìn)”火星殼磁場(chǎng)中的某些太陽(yáng)風(fēng)高能粒子，同樣能被火星殼磁場(chǎng)捕獲，最終沉降并耗散在火星大氣層中。相關(guān)研究成果以為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》上。

因此，考慮到火星殼磁場(chǎng)也能類(lèi)似地球磁場(chǎng)那樣有效屏蔽太陽(yáng)風(fēng)粒子，我們可形象地將火星殼磁場(chǎng)所形成的屏蔽空間比喻為“迷你磁層”或者“微型磁層”。

▲圖4. (左)地球磁場(chǎng)捕獲太陽(yáng)風(fēng)粒子，使得太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子在地磁場(chǎng)中作彈跳、漂移運(yùn)動(dòng)（圖片來(lái)源：NASA）。(右)火星殼磁場(chǎng)“捕獲”太陽(yáng)風(fēng)，使得太陽(yáng)風(fēng)粒子被捕獲后變?yōu)榛鹦谴髿獾囊徊糠郑▓D片來(lái)源：張馳等人，2023，NC）。

對(duì)地球空間環(huán)境的啟示

火星空間環(huán)境為我們深入認(rèn)識(shí)地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)期的地球空間環(huán)境提供了一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室參照。在地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)時(shí)期，地球的空間環(huán)境極有可能如當(dāng)前火星空間環(huán)境一般，地球的局部巖石圈磁場(chǎng)起到如今火星巖石圈磁場(chǎng)的作用：抵擋太陽(yáng)風(fēng)直接抵達(dá)大氣層。

現(xiàn)如今，地磁場(chǎng)的南大西洋（SAA）地磁負(fù)異常區(qū)正在顯著擴(kuò)大，人們開(kāi)始爭(zhēng)論地磁場(chǎng)是否已經(jīng)進(jìn)入了地磁倒轉(zhuǎn)的開(kāi)始階段。如果地磁場(chǎng)真的會(huì)在未來(lái)的幾百年內(nèi)發(fā)生倒轉(zhuǎn)，人們應(yīng)該提前做好應(yīng)對(duì)地球空間環(huán)境演變成火星空間環(huán)境的準(zhǔn)備，那時(shí)會(huì)有更多的太陽(yáng)風(fēng)粒子侵入地球大氣層，進(jìn)而影響整個(gè)生物圈。

值得慶幸的是，隨著我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”等衛(wèi)星對(duì)火星空間環(huán)境的深入探測(cè)，以及“張衡一號(hào)”“澳科一號(hào)”等地磁衛(wèi)星對(duì)地球磁場(chǎng)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，科研人員也會(huì)對(duì)未來(lái)地球空間環(huán)境的演變獲得更加充分、深入的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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 paleoWest 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., Holmstr?m, 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/10.3847/20418213/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., Holmstr?m, M., Wei, Y., & Barabash, S. (2023). Detection of magnetospheric ion drift patterns at Mars. Nature Communications, 14(1). https://doi.org/10.1038/s41467023426307

作者：張馳、高佳維、王譽(yù)棋

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編輯：悅悅