30多亿年前火星可能曾经是一颗宜居的星球，有较厚的大气，也有海洋，但如今火星大气十分稀薄且干燥。科学家们普遍认为，磁场是造成如今地球与火星大气环境的差异主要因素之一。由于地球具有较强的全球性偶极子场，大部分太阳风粒子会被偏转，从而不能进入地球磁层（如图1所示）。相比于地球，火星缺乏全球性偶极子磁场，太阳风可以到达较低高度，从而直接与火星大气发生相互作用，能更有效地传递能量至火星大气粒子，从而使得一部分大气粒子会以离子逃逸的方式被太阳风剥蚀，并损失到行星际空间中。
图1 太阳风与地球（左图）、火星（右图）相互作用。由于地球磁层的屏蔽作用，太阳风很难直接与地球大气发生相互作用。但火星不具备全球偶极子场，太阳风可到达较低高度，从而直接与火星大气发生相互作用
火星大气离子会在太阳风施加的电磁作用力下向外运动，远离火星，并最终逃逸到星际空间中（图2）。类似于火星，金星由于也没有全球性偶极磁场，部分金星大气也是通过离子逃逸的方式被太阳风剥蚀而损失掉。
图2 太阳风驱动火星离子逃逸
鉴于离子逃逸对于行星大气演化的作用和意义，几乎所有的科学家都将注意力都放在了离子出流逃逸上。但近些年的研究发现，对于金星和火星磁层空间而言，并不是所有的大气离子都是向外逃逸的，部分空间中的大气离子受到某些物理过程的影响会朝向行星方向运动，返回到行星大气中。这部分离子流也被称为离子回流。前人对金星返回离子流进行了详细的统计分析，发现金星的离子回流能够有效降低大气离子的逃逸量。尤其是在太阳极大年期间，金星返回离子流能够至少减少60%的逃逸量。而火星的返回离子流是否能够降低大气逃逸率尚不清楚，其与太阳活动水平，火星壳磁场的关系也是未知的。研究火星返回流有助于理解火星磁尾动力学过程、大气离子输运过程以及火星的大气演化，但这是一个极具挑战性的课题方向。具体表现为：（1）确定火星离子回流是否在统计意义上显著影响火星大气逃逸率，需要有利用长时间的等离子体观测数据的累计，当前只有欧空局的火星快车数据能满足这一需求，而具体数据的使用，只有核心团队的成员才能接触获取得到；（2）对火星快车的等离子体仪器的数据处理要求很高，需要对仪器数据的探测和处理具有清晰的认识——火星快车等离子体仪器的有效视场普遍偏小，同时还需准确去除仪器带来的数据噪声。所以，多年来一直没人能从火星快车原始数据里提取到离子回流的数据。
为解决这个难题，中国科学院地质与地球物理研究所博士生张驰在导师戎昭金研究员、魏勇研究员的指导下，与火星快车等离子体仪器负责单位——瑞典空间物理所合作，通过离子数据处理和分析，在纠正了前人处理火星快车等离子体数据瑕疵的基础上，重新处理和计算了火星快车的等离子体数据(图3)。
图3 火星快车的原始测量离子数据（左）和去噪后的数据（右）
基于处理后的离子数据，他们还与法国天体物理与行星研究所，美国普林斯顿大学，以及美国NASA戈达德飞行中心等多家国际科研机构共同合作，对火星离子返回流进行了详细的统计分析。结果表明：
（1）发现在强壳磁场区域附近的等离子体回流出现概率更高，说明壳磁场可能与回流的形成有很强的关联。
（2）发现在极大年期间，返回流通量更强，但是尾向逃逸通量也是增加，并且其量级更大，导致在极大年期间，逃逸的离子数目更多。这也说明无论太阳活动水平如何，相比于逃逸离子流，返回流并不显著，因此返回流是不能有效减少逃逸量，从而不能有效影响火星大气演化过程（图4）。
图4 (a) F10.7指数; (b)返回流通量;(c)逃逸通量;(d) 净逃逸通量
该研究第一次详细系统分析了火星空间离子回流的特性，揭示了回流与火星壳磁场、太阳活动水平的关系，同时也首次明确了回流对火星大气逃逸和演化的影响。工作对于分析和研究我国“天问一号”等离子体探测数据的也具有重大指导意义。
研究成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters（Zhang C*, Futaana Y, Nilsson H, Rong Z, Persson M, Klinger L, et al. Mars-ward ion flows in the Martian magnetotail: Mars Express observations. Geophysical Research Letters, 2022, 49： e2022GL100691. DOI: 10.1029/2022GL100691)。研究得到国家自然科学基金（41922031,41774188）、中科院A类先导专项（鸿鹄专项，XDA17010201）、中科院B类先导专项（XDB41000000）、中国科学院地质与地球物理研究所重要研究课题（ZDBS-SSW-TLC00103, IGGCAS-201904, IGGCAS-202102）、以及国家留学基金委（202104910297）等项目的资助。
附件下载：