首篇直接观测揭示火星大气层今日仍受太阳风轰击侵蚀——大气溅射现象研究新发现

推荐 为探究火星大气如何从可维持液态水的状态演变为如今稀薄干燥的环境，研究人员利用MAVEN探测器长达九年的数据，首次直接观测到火星高层大气中的氩气因太阳风驱动的溅射作用而逃逸的现象。结果显示，当前溅射速率超出模型预测四倍，并在太阳风暴期间显著增强。这一发现为理解火星早期历史及宜居性提供了关键证据。

　　

论文解读
火星，这颗红色星球，曾经拥有能够支持液态水存在的环境，然而如今却只剩下稀薄干燥的大气层。数十亿年前，火星大气逐渐流失，其中太阳风和辐射的侵蚀作用被认为是主要原因之一。溅射（sputtering）作为一种重要的大气逃逸机制，在早期太阳活动更为剧烈的时期可能占据主导地位。然而，由于地球磁场的保护，类似现象在地球上难以观测，而火星缺乏全球性磁场，使得其大气直接暴露于太阳风的轰击之下。尽管同位素证据暗示溅射的重要性，但在当前太阳条件下直接观测这一过程仍极具挑战性。

为解决这一问题，美国国家航空航天局（NASA）的研究团队利用“火星大气与挥发物演化任务”（MAVEN）探测器获取的九年数据，首次捕捉到了现代火星高层大气中的氩气（Ar）因太阳风驱动的溅射而逃逸的证据。研究团队通过分析太阳风电动力场与氩密度的相关性，发现当前溅射速率是模型预测的四倍以上，并在太阳风暴期间显著增强。

研究人员采用MAVEN搭载的中性气体与离子质谱仪（NGIMS）和磁强计（MAG），结合太阳风电动力场（MSE）坐标系，对2015至2024年间火星昼夜半球的高层大气氩密度进行了统计分析。结果显示，在350至400公里高度范围内，负电动力场（?E）半球的氩密度显著高于正电动力场（+E）半球，证实了溅射作用的主导地位。此外，通过对2016年1月太阳风暴事件的案例研究，团队观察到氩密度在此期间激增超过两个数量级，进一步验证了溅射在极端条件下的增强效应。

研究结论表明，现代火星大气中的氩逃逸速率远超此前预期，而太阳风暴可显著放大这一过程。这一发现不仅为理解火星大气的长期演化提供了新视角，还揭示了早期太阳高活动性对行星大气侵蚀的潜在影响。论文指出，若早期太阳风驱动的溅射作用持续存在，可能导致火星大气中氧和碳元素的流失量增加15%至30%，从而直接影响其宜居性。

研究方法的核心在于利用MAVEN的多仪器协同观测能力。中性气体与离子质谱仪（NGIMS）用于精确测量不同高度的氩密度分布，而磁强计（MAG）则提供太阳风电动力场的实时数据。通过构建太阳风电动力场坐标系（MSE），研究人员成功将离子沉降与中性粒子逃逸过程关联起来，并借助数值模拟（HELIOSARES-EGM模型）验证了观测结果的合理性。

研究结果的重要意义在于首次实证了现代火星大气中溅射作用的活跃性。这一发现不仅挑战了现有模型的预测能力，还为重建火星早期大气演化历史提供了关键参数。此外，研究强调了太阳风暴对大气逃逸的放大效应，提示未来任务需重点关注极端空间天气事件的影响。从更广泛的视角看，该研究为评估其他无磁场行星的大气稳定性提供了参考框架，对寻找太阳系外潜在宜居星球具有重要启示。

总之，这项研究通过直接观测证实了溅射在火星大气逃逸中的关键作用，填补了长期以来关于现代火星大气动态变化的认知空白。其成果不仅深化了对火星环境演化的理解，也为探索行星宜居性的边界条件开辟了新方向。