研究模拟火星氢离子逃逸过程

离子逃逸对火星大气损失以及宜居性演化研究具有重要作用。火星上，氢离子向太空的损失有多种机制，不同离子逃逸机制的相对重要性尚不完全清楚。同时，氢离子逃逸与总氢损失的比例存在悬而未决的问题。探测火星离子逃逸亦是我国“天问一号”卫星任务的科学目标之一。

近日，中国科学院国家空间科学中心研究团队，基于磁流体力学模拟，证明火星氢离子损失的主要源头不是电离层离子通过磁尾的出流，而是氢外逸层电离产生的新生氢离子逃逸。当火星外层大气（外逸层）中的氢原子与太阳风碰撞时，它们与太阳风发生电荷交换，形成氢离子并被太阳风电场加速。这种“拾取离子加速”为氢离子提供了足够能量，来克服火星引力并逃逸到太空。

作为基本的等离子体界面，离子成分边界位置调节拾取离子逃逸的效率，这是由于离子成分边界位置上方的离子运动，受太阳风对流电场（Esw）的控制。对于氧离子和氧分子离子来说，沿Z轴的非对称密度分布源于其受Esw驱动的摆线运动的大曲率半径。相比之下，氢离子表现出与太阳风流对齐的尾部逃逸轨迹，这是由于它们的拾取回旋半径小于火星感应磁层的特征尺寸；红线轨迹表明，氧分子离子被离子成分边界处的强Esw有效加速，形成离子羽流，并确认了它们的电离层起源；拾取的氢离子起源于离子成分边界之外，这是由于离子成分边界处加速的氢离子因其较小的回旋半径而再循环回电离层。对于拾起的氧离子，起源包括电离层离子和电离的外逸层粒子。离子成分边界外的拾取离子可能被局部电磁场部分偏转到磁尾，但磁尾内的体输运仍以密集、缓慢移动的电离层出流为主。

研究显示，氢离子全球逃逸率比中性氢原子的热逃逸率低1至2个数量级。进一步的研究表明，季节性重复或沙尘暴驱动的氢外逸层密度变化，可以调节氢离子逃逸率。同时，模拟的氢离子逃逸率对太阳风通量的依赖性，凸显了拾取离子逃逸通道在火星历史上对氢损失的重要性。

相关研究成果发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。

论文链接

火星周围不同成分离子分布磁流体模拟结果