科研进展
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李欣舟等-GRL：揭示火星磁尾电流片主要离子成分的变化性2023-01-16
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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陈妍等-JGR：柴达木盆地类火星环境河湖相沉积和土壤有机碳的分布规律及对火星生命探测的启示2023-01-16
地外生命信号探测一直是国际深空探测的主旋律，也是我国火星探测的重要科学目标之一。众所周知，火星的地质环境演变与地球有很大差异，早期火星表面可能存在大量液态水并较为宜居，发育了众多古老的河湖相沉积。随后，火星环境开始恶化，逐渐演化为现今干冷、强氧化和强辐射的极端表面环境。因此，探究火星早期河湖相沉积在现代风化环境下保存生命信号的潜力以及火壤深部是否可能存在生命迹象等科学问题，对于火星生命信号探测与研究具有重要意义。
有机质是地外生命探测中最常用的信号指标之一。沉积有机质在火星表面的保存受到辐射强度、有机质降解速率、河湖相沉积剥蚀速率等因素的影响，但目前对沉积有机质在现代火星风化环境中的降解程度还认识较弱。此外，火壤深部相较于火星表面环境更易于保存生命信号，但目前对火壤深部的有机质研究较少，其赋存规律尚不清楚。
我国西北部的柴达木盆地发育了众多类火星地貌，由于其高海拔、高辐射和极端干旱等环境特征，被认为可以类比火星早期环境。近期，我所地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组的陈妍博士后与合作导师林巍研究员等，在柴达木盆地的冲沟、河道、冲积扇、盐滩、雅丹和山丘等典型类火星地貌采集了多个河湖相沉积物和土壤等样品，系统研究了其中的有机碳含量、含水量、pH值和矿物组成及其分布规律（图1）。
图1 柴达木盆地采样点分布。（a）柴达木盆地的地理位置，（b）本研究采样点的分布图，（c）柴达木盆地西北部芒崖地区放大图
研究发现，柴达木盆地的有机碳含量主要跟沉积物含水量和冲积扇地貌有关。在极端干旱的西北部，有机碳含量主要跟沉积物来源（河湖相沉积或土壤）有关；在干旱的东南部，有机碳的富集主要跟冲积扇地貌相关（图2）。极端干旱区河湖相沉积的有机碳含量高于土壤的有机碳含量，说明经河流搬运、沉积、成岩而形成的有机碳在类火星风化环境中能够较好地保存下来。同时，河流下游的有机碳含量高于河流上游区域，说明高辐射等极端条件对有机碳的改造并不显著，这可能是由于有机碳的降解速率相对其暴露时间尺度较慢而导致。在干旱区，有机碳更易富集在冲积扇的土壤中，表明相对于其他地貌，冲积扇可能更有利于生物的生存。
图2 柴达木盆地样品理化性质的相关系数矩阵。（a）柴达木盆地西北部和东南部样品理化性质的相关系数矩阵，（b）柴达木盆地西北部样品理化性质的相关系数矩阵。颜色条表示两个参数之间相关系数的范围；符号**表示显著性水平≤0.01，***表示显著性水平≤0.001；Origin：沉积物来源，SMC：含水量，SOC：有机碳含量
上述研究表明，火星冲积扇和古湖泊等地貌可作为未来火星生命探测的重点关注区域。火星河湖相沉积的有机碳含量约为200-300 ppm，接近柴达木盆地河湖相沉积的有机碳含量，火星有机碳可能来源于陨石、地质过程、化学过程或生物过程等。由于火壤深部不太支持非生物成因有机碳的富集，因此未来如果在火星冲积扇深部检测到有机碳富集，可能可以指示火星生命的存在。该研究为未来火星生命探测区域的遴选提供了参考。
研究成果近期发表于国际学术期刊Journal of Geophysical Research: Planets（陈妍，申建勋，刘立，孙宇，潘永信，林巍*. Preservation of Organic Matter in Aqueous Deposits and Soils Across the Mars-Analog Qaidam Basin, NW China: Implications for Biosignature Detection on Mars [J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2022, 127: e2022JE007418. DOI: 10.1029/2022JE007418）。研究受国家自然科学基金委、中国科学院、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院青年创新促进会等共同资助。
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张驰等-GRL：火星离子回流对大气离子逃逸的影响2022-11-11
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。 -
申建勋等-ACS-ESC：柴达木类火星环境岩石的LIBS分析对火星生命探测的启示2022-11-03光谱测量是研究地外环境和探测地外生命信号常用的技术手段，其中激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectrometer, LIBS）具有无需样品制备、快速分析、检测元素多等特点，已成为火星就位探测和巡视探测的一类重要科学载荷，广泛应用于火星环境演化、宜居潜力评估、生命信号探测等研究。我国的“祝融号”火星车上也携带了LIBS科学载荷，主要用于火星环境和宜居性的探测和研究。尽管LIBS可以有效分析多种元素，但其用于寻找潜在生命信号的能力有待深入研究。
光谱测量是研究地外环境和探测地外生命信号常用的技术手段，其中激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectrometer, LIBS）具有无需样品制备、快速分析、检测元素多等特点，已成为火星就位探测和巡视探测的一类重要科学载荷，广泛应用于火星环境演化、宜居潜力评估、生命信号探测等研究。我国的“祝融号”火星车上也携带了LIBS科学载荷，主要用于火星环境和宜居性的探测和研究。尽管LIBS可以有效分析多种元素，但其用于寻找潜在生命信号的能力有待深入研究。
近日，中科院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组的申建勋博士后与合作导师林巍研究员等，利用LIBS对地球类火星环境中岩石样品的光谱特征进行了研究，结合拉曼光谱测量，探讨了LIBS技术在火星生命信号筛选中的应用潜力。该研究选取了柴达木盆地西北干旱区岩滩的一块典型岩石碎屑样品（图1），分别利用拉曼光谱和LIBS对样品不同部位（岩上、岩侧和岩下）的数百个点进行了系统分析。
图1 柴达木盆地采样点（a）地形图、（b）地质图以及（c和d）石英岩碎屑样品
拉曼光谱分析显示岩下部位存在能够吸收紫外辐射并清除氧自由基的β-胡萝卜素，指示了岩石下部有耐辐射微生物群落的存在。而岩上、岩侧未检测到有效的微生物信号，仅发现石英和少量其他矿物信号（图2）。该研究结果表明在环境恶劣的类火星地区，岩石下部为微生物生存提供了适宜的生态位，未来的火星生命探测中可以着重关注火星岩下区域。同时结合前人研究，揭示出合成色素分子是类火星极端环境微生物的一类重要生存策略。
图2 柴达木盆地西北干旱区类火星环境石英岩碎屑样品部分测量位点的拉曼光谱图。Qz：石英；Fr：锌铁矿；Hm：赤铁矿；Cr：β-胡萝卜素
为了评估LIBS筛选生命信号的潜力，进一步对该样品的岩上、岩侧和岩下不同部位进行了LIBS分析。研究显示样品不同区域的LIBS光谱整体特征类似，但利用多元统计分析方法（主成分分析法PCA和相似性分析ANOSIM）可以对岩石样品不同部位的LIBS光谱数据进行区分（图3）。进一步分析区分样品的波段信息，发现涵盖了部分钙、镁的峰区和一些可能由于生命化学元素空间分布而产生的相互作用信号。
以上结果表明，在样本均质程度较高但有足够样本量的前提下，基于LIBS数据的多元统计分析可以作为快速筛选潜在生命信号的一种手段，再结合其他探测技术，有望在火星生命信号的原位探测中发挥作用。
图3 类火星环境石英岩碎屑样品部分测量位点的LIBS光谱图（左图）与PCA散点图（右图）
研究成果发表于美国化学学会旗下期刊ACS Earth and Space Chemistry（申建勋，刘立，陈妍，孙宇，林巍*. Geochemical and biological profiles of a quartz stone in the Qaidam Mars analog using LIBS: Implications for the search for biosignatures on Mars[J]. ACS Earth and Space Chemistry, 2022. DOI: 10.1021/acsearthspacechem.2c00129）。该成果受中国科学院、国家自然科学基金、中国科学院地质与地球物理研究所等联合资助。
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申建勋等-EPP：地球类火星环境生命信号研究及对火星生命探测的启示2022-09-29
探索火星环境演化和生命信号一直是火星探测的重要科学目标。“天问一号”首次火星探测任务迈出了我国行星探测征程的第一步，未来我国还将实施“天问三号”火星采样返回任务。火星生命探测研究中“探哪里”、“探什么”、“如何探”是当前天体生物学研究的重大课题和挑战。“探哪里”主要指火星生命探测和采样返回任务的着陆区和采样区的确定；“探什么”主要是目标生命信号的遴选；“如何探”则涉及生命信号准确探测和解译所需的分析技术和载荷设备等。这三者相辅相成，需要在火星任务规划之初就进行科学布局并开展预先研究。
近日，我所地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组的申建勋博士后与合作导师林巍研究员、潘永信研究员等，利用比较行星学的科学思路，对地球上可以类比火星不同演化阶段环境特征的类火星环境区域进行了梳理和总结，在系统综述火星生命探测中常用的生命信号及其主要探测技术手段的基础上，将地球上的代表性类火星环境分成四类，分别类比火星演化的四个地质历史时期：诺亚纪早期至中期（4.1～3.8 Ga）、诺亚纪晚期至西方纪早期（3.8～3.4 Ga）、西方纪晚期至亚马逊纪早期（3.4～(2.1-1.4) Ga）、亚马逊纪中期至晚期（(2.1-1.4) Ga至今）（图1）。
（1）诺亚纪早期至中期的火星主要以频繁的陨石撞击事件为主，火星表面有较稳定的液态水环境，形成矿物主要为硅酸盐类；（2）诺亚纪晚期至西方纪早期火星表面的液态水逐渐减少，火山喷发活动普遍，矿物以硫酸盐类为主；（3）西方纪晚期至亚马逊纪早期的火星变得更加干燥，火山活动依旧较多，以含铁矿物为主；（4）亚马逊纪中期至晚期的火星进入极度干旱的时期，无稳定的火表液态水，火山活动逐渐减弱，仍以含铁矿物为主。
研究这四大类地球类火星环境中的生命和非生命过程，将有助于我们更加深入地理解生命在类火星极端环境中的生存机制和保留下的各种信号，为火星生命探测提供新认知。
图1 地球上典型的类火星环境分布图（据火星地质年代学划分）
基于地-火对比的研究思路，文章进一步提出了火星生命探测的研究框架（图2），建议火星生命探测任务在工程可实现的前提下，根据火星地质环境信息遴选出若干宜居潜力较大的预选研究区，将这些地区与地球上对应的类火星环境进行比较研究，重点关注地球类火星环境中生命活动及其代谢产物，筛选出可用于火星生命探测的目标生命信号，进而确定火星就位探测的技术手段并开展载荷仪器研发，最终实施火星生命就位探测或采样返回任务。该研究框架强调了地质环境背景可以对疑似生命信号的准确解译提供重要约束，提出利用基于地球类火星环境中生命活动和生命信号的认知来指导火星生命探测，并加强生命信号探测技术和载荷的研究、设计和开发。
图2 火星生命信号探测研究框架
研究成果近期发表于Earth and Planetary Physics（申建勋，陈妍，孙宇，刘立，潘永信，林巍*. Detection of biosignatures in Terrestrial analogs of Martian regions: Strategical and technical assessments[J]. Earth and Planetary Physics, 2022, 6(5): 431–450. DOI: 10.26464/epp2022042），并被选为当期封面文章。研究受国家自然科学基金委、中国科学院、中国科学院地质与地球物理研究所等共同资助。
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【瞭望】中国科学家揭秘火星乌托邦平原浅表结构2022-09-29
来源：瞭望 发布日期：2022-09-28 记者：扈永顺
火星上有水吗？未来人类能移居火星吗？这些大众感兴趣的话题，正在通过科研人员对观测数据的抽丝剥茧中得到答案。9月26日，中国科学院地质与地球物理研究所火星研究团队在国际学术期刊《自然》杂志发表了一项“天问一号”火星探测最新研究成果。研究显示，现今的火星乌托邦平原南部，火表以下0～80米未发现液态水存在的证据，但不排除存在盐冰的可能。
2021年5月15日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器携带的“祝融号”火星车在乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆，开启巡视探测工作。利用 “祝融号”火星车次表层探测雷达对巡视区地下浅层结构进行精细成像，科研人员获得了浅表80米之上的高精度结构分层图像和地层物性信息。
“虽然现今火表下0～80米没有发现液态水，但探测结果反映了至少过去火表是有水的。乌托邦平原是火星最大的撞击盆地，本次探测结果为乌托邦平原沉积是由水活动引起的提供了证据。”中科院地质与地球物理研究所研究员陈凌告诉本刊记者，这也预示着火星早期可能存在过宜居环境。
研究表明，“祝融号”火星车着陆区火表数米厚的风化层下存在两套向上变细的沉积层序，可能反映了约35亿～32亿年以来多期次与水活动相关的火表改造过程。第一套层序位于地下约10～30米，含有较多石块，其粒径随深度逐渐增大。距今大约16亿年以来的短时洪水、长期风化或重复陨石撞击作用可能导致了这一套向上变细沉积层序的形成；第二套层序位于地下约30～80米，其石块粒径更大（可达米级）且分布更为杂乱，反映了更古老、更大规模的火表改造事件。基于前人的撞击坑统计定年结果推测，这次改造事件可能发生在距今35亿～32亿年前，与乌托邦平原南部的大型洪水活动有关。
“这次探测结果也证实火星表面经历了多期次的火表改造过程，火表之下结构比预想的要复杂。”中科院国家空间科学中心研究员刘洋认为，这次探测活动提供了火星可能长期存在水活动的观测证据，为深入认识火星地质演化与环境、气候变迁提供了重要依据。