火星可见光极光的首次表面探测及其空间天气预报意义

研究人员利用NASA"毅力号"火星车的SuperCam和Mastcam-Z仪器，首次在火星表面探测到557.7 nm的可见光极光（O(1S→1D)绿线），证实了通过日冕物质抛射(CME)模拟可预测火星极光活动，为未来宇航员观测和火星空间天气预报奠定了基础。

　　

在太阳系行星探索中，火星以其独特的混合磁层结构一直吸引着科学家们的目光。这颗红色星球虽然缺乏全球性磁场，却拥有由电离层诱导磁场和古老地壳磁场共同形成的复杂磁层系统。过去二十年，多个轨道探测器在紫外波段观测到火星存在多种极光现象，包括离散极光、弥散极光、质子极光等。然而，可见光波段的极光始终未被直接观测到，这限制了我们对火星空间天气事件中粒子沉降过程的全方位理解。更关键的是，所有先前观测都来自轨道器，从未有行星表面（除地球外）的极光探测报告。

火星极光的产生机制与地球截然不同。太阳高能粒子(SEP)在火星稀薄大气中的沉降过程受到复杂磁拓扑结构的调控，而日冕物质抛射(CME)驱动的激波加速粒子可能增强这种沉降。理论预测表明，原子氧557.7 nm绿线(O(¹S→¹D))应该存在于火星极光光谱中，但受限于观测设备的灵敏度、光谱分辨率和响应速度，这一预测始终未能得到验证。此外，如何利用现有的空间天气预报系统实现对火星极光活动的实时预测，也是亟待解决的科学问题。

NASA"毅力号"火星车团队利用SuperCam和Mastcam-Z仪器，结合NASA社区协调建模中心(CCMC)的WSA-ENLIL+cone模型对CME事件的实时模拟，成功在2024年3月18日探测到源自557.7 nm原子氧线的绿色可见光极光。这项研究发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

关键技术方法包括：(1)利用NASA CCMC的WSA-ENLIL+cone模型实时模拟CME传播，选择离子密度>15 ions/cm³、IMF强度>10 nT等参数的太阳风暴事件；(2)"毅力号"火星车的SuperCam可见光谱仪(535-853 nm)和Mastcam-Z多光谱相机进行协同观测；(3)通过火星快车(MEx)的EDAC计数器和MAVEN/SEP仪器监测高能粒子通量；(4)采用多散射伪球面辐射传输模型分析表面观测数据。

【太阳风暴选择】研究人员通过分析2024年3月15日源自活动区13599的C4.9级耀斑及伴随CME，预测该事件将在3月18日影响火星。模拟显示CME初速度达1121 km/s，离子密度峰值预计达~50 ions/cm³，远超预设触发阈值。MAVEN/SEP数据显示粒子通量增加与预测时间高度吻合，证实这是一次典型的渐进型SEP事件。

【仪器与方法】SuperCam光谱仪以20°仰角指向西方地平线，获取4组光谱数据(含暗场校正)。其0.35 nm的光谱分辨率足以分辨557.7 nm线。Mastcam-Z则以15.5°仰角拍摄120秒长曝光图像，通过拜耳阵列分离RGB通道量化绿色超额信号。辐射传输计算表明，尘雾(τ=1.1)使表面观测亮度比轨道临边观测低约20倍。

【光谱线识别】处理后的SuperCam光谱在557.843±0.024 nm处检测到显著发射线，强度101±14 R(Rayleighs)，与O(¹S→¹D)跃迁的真空波长(557.889 nm)高度一致。通过对比sol 790、900和1107的非检测数据，排除了仪器噪声和月光的干扰。

【天空亮度分析】Mastcam-Z图像经Phobos散射光校正后，显示20°仰角处82±2 R的绿色超额信号，与光谱测量一致。辐射传输模型再现了信号随仰角升高的特征梯度，证实发射源位于电离层高度。估算对应的297.2 nm UV线亮度约130 R，比2017年9月强事件低一个量级。

【火星快车内存错误】MEx的EDAC计数器在CME到达前6小时即出现增长，反映>20 MeV高能质子先行到达。这与MAVEN/SEP观测的keV级电子/离子通量增加形成互补，完整勾勒出SEP事件的能量分布。

这项研究首次实现了从行星表面探测非地球极光，并取得多项突破性发现：证实可见光极光存在于火星，其557.7 nm绿线强度与UV波段观测存在16.5倍的跃迁概率比；建立基于CME实时模拟的极光预测方法，验证空间天气预报在火星的可行性；揭示即使中等强度CME(初速1121 km/s)也能诱发可检测的极光活动。

讨论部分强调了三个重要意义：在科学认知层面，可见光与UV极光的协同观测将为粒子沉降能量分布研究提供新维度；在探测技术层面，证明简化设计的可见光仪器(如窄带滤光片相机)也能有效监测火星空间天气；在载人探测层面，估算在低尘(τ=0.3)条件下，类似2017年的强SEP事件可产生2 kR亮度，达到人眼感知阈值(250 R)，未来宇航员或将目睹"火星绿光"的奇观。

该研究开辟了火星空间天气研究的新途径。正如作者指出，表面观测能捕捉轨道器难以获得的极光时空变化信息，这对理解磁尾动力学至关重要。随着太阳活动进入上升期，后续研究将优化观测策略，结合"毅力号"、MAVEN和即将到来的MMX等任务数据，深入揭示CME冲击波与火星磁层的耦合机制。这项成果也为我国天问系列火星探测器的科学目标规划提供了重要参考。