火星与地球同处于太阳系宜居带上，它类似地球一样，具有丰富的地貌特征，包括高耸的山峦、广阔的平原、蜿蜒的河道等。因而人们猜测，大约37亿年前，火星可能也是一颗宜居的星球。但当前，火星却演化成为了一颗具有稀薄大气，且又干又冷的“死寂”星球。
火星的大气和水究竟流向了哪里？是如何流失的？
当前学界指出太阳风是驱动火星大气和水逃逸的一个重要机制。由于37亿年前，火星内核磁场发电机停止，火星缺失了能够保护大气的全球性内禀磁场（如图1所示）。因此，外部太阳风粒子能够无障碍地冲击火星大气层，进而不断剥蚀大气离子逃逸到外太空。
图1 太阳风与地球（左图）、火星（右图）相互作用。由于受地磁场的屏蔽作用，太阳风很难直接与地球大气发生相互作用。但火星不具备全球性磁场，太阳风可直接与火星大气发生相互作用（图片引自NASA官网）
通过多年的卫星观测，人们大致摸清了火星大气离子的逃逸规律，发现火星大气离子存在两条主要逃逸通道（见图2）。第一条通道是离子羽结构，它是由太阳风电场直接加速火星大气离子形成，其中的离子一般具有较高能量。另一条是火星磁尾电流片，火星大气离子可被磁尾电流片中的电磁力加速而向磁尾下游逃逸。与离子羽相比，磁尾中逃逸离子的能量普遍较低。
图2 太阳风驱动火星大气离子逃逸。位于向阳面的大气离子容易被太阳风电场直接加速，从而形成离子羽结构。另一部分大气离子可通过夜侧磁尾被电磁力加速而逃逸掉（图片引自NASA官网）
尽管如此，人们对于具体的逃逸过程和相关物理现象还缺乏深入的认识。通过聚焦火星大气离子逃逸的关键区域——火星磁尾电流片，中国科学院地质与地球物理研究所博士生张驰、李欣舟联同其导师戎昭金研究员、魏勇研究员，以及与德国马克斯·普朗克太阳系研究所、瑞典空间物理研究所、芬兰气象研究所、美国波士顿大学等国内外顶尖科研机构的专家合作，利用MAVEN飞船提供的数据对火星磁尾电流片中的等离子体开展了深入研究。
他们发现，不同于传统观点，火星磁尾电流片中有时会出现高速的尾向等离子体束流（图3）。这些高速离子流的主要成分为火星大气重离子（O+，O2+），其能量可高达约1200电子伏特（eV），尾向逃逸速度可达到大约100千米/秒。相比之下，在其它时候，电流片中的离子能量普遍不超过50电子伏特（eV），尾向逃逸速度仅为20千米/秒。
在高能离子流中，电流片附近的H+能量范围在10至200电子伏特（eV），更接近外部太阳风的特性。这表明高速离子流事件的形成可能与外部太阳风有关。而在电流片低速离子流中，H+的能量分布和行星重离子的相类似，表明这些H+可能直接来自火星电离层。
图3 高速与低速行星离子流事件的比较研究（左侧为高速流事件，右侧为低速流事件）。从上至下，分别为行星离子（O+，O2+）能谱、行星离子的尾向逃逸速度、H+能谱、及磁场Bx分量的变化
为进一步探究这些高速离子流的形成机理，他们对这两类离子流事件开展了统计分析。结果显示（图4a），高速行星离子流事件倾向于发生在+ZMSE半球（太阳风电场指向外的半球），而低速行星离子流事件更多出现在-ZMSE半球（太阳风电场指向内的半球）。此外，通过比较磁尾电流片中这两类离子流事件（图4b），可发现高速离子流事件带来的火星离子逃逸通量要显著高于低速离子流事件的通量。
图4 高速离子流事件和低速离子流事件的空间位置（左），以及对应的平均离子逃逸通量（右）
根据所得观测特性，他们提出了高速离子流的可能形成机理（图5）。在太阳风电场指向行星外侧半球时，即+ZMSE半球，由局部高速行星离子流形成的离子羽结构具有减速并偏转太阳风的能力，这一过程进一步导致磁力线弯曲，形成了电流片结构。在这种包含高速行星离子流的电流片中，中心区域通常充斥着高速行星离子，而两侧则主要由太阳风离子组成。相反的是，在太阳风电场朝向行星的半球（-ZMSE半球）中，分布有较多的行星电离层低能离子，对应形成的电流片中行星离子能量都普遍偏低。
图5 火星磁尾电流片中高速离子流事件和低速离子流事件的形成图像
该研究深入探究了火星磁尾中高速逃逸离子流的特征，揭示了火星磁尾中离子逃逸的动态过程，更新了对火星离子逃逸的认识，并丰富了对太阳风与火星相互作用机制的理解。此外，这项工作对分析和研究中国“天问一号”任务中收集的磁场和等离子体数据也提供了重要的指导和启示。
研究成果发表于国际权威学术期刊GRL（Zhang C, Rong Z*, Li X, Fränz M, Nilsson H, Jarvinen R, Persson M, Futaana Y, Dong C, Yamauchi M, Gao J, Zhou Y, Wang L, Shi Z, Wei Y, He F, Holmström M, Barabash S. The Energetic Oxygen Ion Beams in the Martian Magnetotail Current Sheets: Hints From the Comparisons Between Two Types of Current Sheets. Geophysical Research Letters, 2024, 51(5): e2023GL107190. DOI: 10.1029/2023gl107190）。研究得到国家自然科学基金（41922031,41774188）、中国科学院A类先导专项（鸿鹄专项，XDA17010201）、中国科学院B类先导专项（XDB41000000）、中国科学院重点研究计划（ZDBS-SSW-TLC00103）、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）、以及国际空间科学研究所（ISSI）的资助（ISSI 团队项目 #23-582；ISSI-BJ 团队项目 #58）。
