行星磁场的强弱程度是影响大气逃逸的关键因素。行星磁场减弱使大气逃逸加剧，太阳风驱动更多的氢、氧成分带离行星空间，引起行星大气与空间环境的改变。这一现象可能对行星生物圈与宜居环境产生长期、累积性的重要影响：在地磁倒转期间，地磁场强度会剧烈下降约80%-90%，其磁层形态可能由当前的偶极子磁层位形（图1B）转变为多极子的微磁层位形（图1A）；此时，氧粒子逃逸率增加，大气含氧量持续下降并最终降至可能诱发生物大灭绝的阈值（见《大气氧逃逸是地磁倒转-生物大灭绝因果关系链的重要环节》）。因此，探讨弱磁场环境下的太阳风-微磁层相互作用，尤其是对大气氧离子、氧分子离子的调控机制，是认识行星磁场与宜居性演化过程的重要环节。
图1 A. 地磁倒转时期可能的四极子磁层; B. 当前的偶极子磁层位形; C.地磁发电机停止后的感应磁层位形，类似于火星
在当前的类地行星中，水星缺乏大气，金星没有探测到内禀磁场与岩石圈磁场，只有火星岩石剩磁的磁场位形可能形成与地磁倒转期间类似的微磁层环境（图1C）。但是，由于火星南半球区域的岩石剩磁空间尺度较小，这一局部磁场能否调节太阳风与火星大气氧离子间的相互作用过程，剩余磁场对大气氧逃逸是促进还是减弱，引发了学界持续争论。此前，中国科学院地质与地球物理研究所魏勇研究员带领的团队，基于MAVEN探测器高时空分辨率的磁场、大气粒子观测数据，首次发现当剩余磁场伴随火星自转至向阳侧时，其上空会形成一个热氧离子（>30eV）出流通量的低值区（图2左）。此外，同期研究结果表明剩余磁场对低能离子（<30eV）的束缚作用更为显著，强磁场上空氧离子回旋半径比弱磁场区域小2个量级。这些研究结果表明在低高度、剩余磁场较强的区域，大气氧逃逸得到抑制，然而，随着离子质量及海拔高度的增加，剩余磁场对离子的束缚作用迅速衰减。（图2右，详细内容参见《火星局部磁场偏转太阳风流并阻碍大气离子逃逸》）。
图2 火星向阳侧热氧离子初流通量低值区（上）；350-1000 km氧离子（<30eV）回旋半径、平均通量与剩余磁场关系图（下）
综上可见，探索火星岩石剩磁对大气氧离子束缚作用的高度上限，成为约束太阳风-火星氧逃逸问题的关键。中国科学院地质与地球物理研究所范开博士后和魏勇研究员与德国马克思普朗克太阳系研究所Markus Fraenz教授、中山大学崔峻教授合作，根据美国MAVEN火星探测器高精度的卫星单轨道离子观测数据，首次揭示了火星日侧电离层顶（图3，约500公里）连续延申至1300公里高度，由氢离子、大气氧离子和氧分子离子组成的火星微磁层信息。观测显示，重离子（O+、O2+）投掷角与磁场方向平行，表明大气离子的输运过程受磁场调控。
图3 2015年12月16日的火星微磁层观测结果（图中红框内）
此外，研究结果进一步对比了剩余磁场微磁层与无磁区域的感应磁层观测现象，并首次提出了微磁层及其上边界的重要判别依据：
1. 10eV至1keV能量范围内的连续重离子（如氧离子）观测，如图3b、图3c所示;
2. 磁场方向的改变与剩余磁场模型预测值的增强，如图3g灰色虚线所示；
3. 迷你磁层内的 值达到约1，至少是感应磁层内 值的十倍以上，如图4所示。
研究表明，与传统的太阳风-火星电离层-感应磁层的相互作用模式不同，火星南半球的剩余磁场形成的“不稳定”微磁层与北半球磁压主导的感应磁层构成了一个独特的“二分”环境。研究结果对于研究弱磁场环境下大气逃逸过程及行星大气演化过程存在重要的指示意义。
图4 微磁层（左）与感应磁层（右）对比，等离子体 由图d/h黑色虚线所示
研究成果发表在国际权威学术期刊Geophysical Research Letters。（Fan K, Wei Y, Fraenz M, Cui J, He F, Yan L, et al. Observations of a mini-magnetosphere above the Martian crustal magnetic fields[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50: e2023GL103999. DOI: 10.1029/2023GL103999）。研究得到国家自然科学基金（42104171）的资助。
