火星由于缺乏地球那样的全球偶极磁场保护，外部太阳风会直接与火星大气发生相互作用。火星中性大气粒子在太阳辐射和太阳风的作用下会被电离为离子。一方面，受太阳风磁场与火星大气离子的作用，火星空间会产生感应磁层空腔结构——太阳风磁场在上游接近火星时会出现明显垂挂，垂挂磁场随太阳风流进入夜侧后会在下游形成感应磁尾。感应磁尾中心处是反平行磁场过渡的区域，也称为磁尾等离子体片或磁尾电流片。另一方面，在太阳风的作用下，火星大气离子会从电离层逃逸出来，并最终通过感应磁层进入太阳风中而逃逸掉（图1）。
图1 太阳风与火星的相互作用示意图（修改自Lillis et al., 2015）
火星磁尾电流片是火星离子逃逸的主要通道。在电流片中，磁场强度很弱，等离子体密度较大，电流密度也较大，对应的尾向电磁安培力（j×B）也较大，离子在其中会受到较大的尾向逃逸加速作用。而电流片中的离子成分对于我们理解火星大气离子的逃逸过程以及相关的磁尾动力学过程起到至关重要的作用。当前人们普遍认为火星磁尾里的主要离子基本为火星大气上行而来的重离子。然而，受探测仪器的限制，人们对于电流片中主要离子成分的真实分布一直不清楚。
美国的MAVEN火星探测飞船的高分辨率磁场和等离子体探测，为认识火星磁尾电流片中的主要离子成分提供了机遇。中国科学院地质与地球物理研究所博士生李欣舟在导师戎昭金研究员、魏勇研究员的指导下，与德国马普太阳系研究所等国际科研机构合作，通过对MAVEN观测数据的处理和深入分析，发现火星磁尾电流片存在着两种基本类型——大多情况下电流片中以火星大气重离子为主（主要为O+和O2+， 这类电流片以H-sheet表示），但有时电流片中的主要离子则以轻离子为主（主要为H+，这类电流片以L-sheet表示）。图2 展示了在一次火星磁层穿越中MAVEN观测到的这两类电流片事件。
图2 MAVEN连续两次穿越火星磁尾电流片的事件。在1穿越处，电流片中重离子的密度远大于H+的密度；而在2穿越处，H+的密度远大于重离子的密度
进一步的统计分析发现，在所有火星磁尾电流片穿越事件中，H-sheet的出现率为75%，而L-sheet的出现率仅为9%。尤其在下游距离小于0.75个火星半径的区域，电流片几乎都是以H-sheet为主。而在大于0.75个火星半径以外的下游区域，虽电流片总体还是以H-sheet类型为主，但L-sheet类型的穿越事件也时有发生。统计分析表明，L-sheet的出现率会随外部太阳风密度和动压的增大而增加（图3），这表明L-sheet中的H+主要来源于外部太阳风。
图3 不同类型磁尾电流片穿越事件的空间分布（图a-c）,及其出现率随外部太阳风参数的变化分布（图d-f）
综上所述，在靠近火星的磁尾电流片中（0.75个火星半径内）主要离子成分以来源于火星的重离子为主，而在远磁尾（0.75个火星半径以外）来源于太阳风的H+不时会成为电流片中的主要离子（图4）。随太阳风动压增强，H+成为电流片主要离子的几率会增加。
图4 火星磁尾电流片中的主要离子成分分布及其随太阳风的变化分布。左图为低太阳风动压情形，右图为高太阳风动压情形
该研究第一次详细系统分析了火星磁尾电流片中主要离子成分的分布和变化特性，揭示了主要离子成分的来源及其与外部太阳风的变化关系，这对于理解火星离子逃逸过程以及磁尾相关动力学过程，以及分析研究我国“天问一号”等离子体探测数据具有重要意义。
研究成果发表于国际学术期刊GRL。(Li X Z, Rong Z J*, Fraenz M, et al. Two Types of Martian Magnetotail Current Sheets: MAVEN Observations of Ion Composition[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(2): e2022GL102630. DOI: 10.1029/2022GL102630)研究受国家自然科学基金（41922031、41774188）、中国科学院战略先导项目（XDA17010201、XDB4100000）、中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-TLC00103）和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目IGGCAS-201904、IGGCAS-202102）等项目赞助。
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