美國宇航局最新發布:火星周圍的電流圖,電流加速了大氣逃逸!

2020-11-22 騰訊網

在美國宇航局的MAVEN太空飛行器進入火星軌道五年後，獲得的數據才得以創建火星大氣中電流系統地圖。科羅拉多大學博爾德分校的實驗物理學家羅賓·拉姆斯塔德(Robin Ramstad)表示：這些洋流在大氣損失中發揮了重要作用，這種損失將火星從一個可以支持生命的世界，變成了一個不適宜居住的沙漠。科學家目前正致力於利用洋流來確定從太陽風中提取能量的精確數量，並為大氣逸出提供動力。

地球也有這樣的電流系統：我們甚至可以在極地地區附近夜空中看到它們五顏六色光的顯示形式，這稱為極光（北極光和南極光）。其研究成果發表在《自然天文學》期刊上，地球極光與地球磁場與太陽風相互作用產生的電流密切相關，這些電流沿著垂直磁力線流入大氣，集中在極地地區。然而，研究我們頭頂上數千英裡處的電流流動，只是講述了火星上情況的一部分。不同之處在於行星各自的磁場，因為雖然地球的磁力來自內部，但火星的磁力不是。

行星磁場

地球的磁場來自其核心，熔化的導電鐵會在地殼下面流動，磁場也是全球性的，這意味著能環繞著整個星球。由於火星和地球一樣是一顆多巖石的陸地行星，人們可能會認為同樣的磁範式也在火星發揮作用。然而，火星本身並不會在相對較小的磁化地殼區塊之外產生磁場。火星這顆紅色星球上一定發生了一些與在地球上觀察到的不同的事情。

火星上發生了什麼事？

太陽風主要由帶電的電子和質子組成，以每小時約一百萬英裡的速度持續從太陽吹來。它圍繞著太陽系中的物體流動並與之相互作用。太陽風也是磁化的，這種磁場不容易穿透火星等未磁化行星的高層大氣。相反，它在地球電離層中感應的電流會導致磁場堆積和加強，產生所謂的感應磁層。太陽風是如何驅動火星上感應出的磁層，直到現在才被很好地理解。

當太陽風離子和電子撞擊火星附近這個更強的感應磁場時，由於它們相反的電荷而被迫分開。一些離子朝一個方向流動，一些電子朝另一個方向流動，形成電流，從地球的白天到黑夜。與此同時，太陽X射線和紫外線不斷電離火星上的一些高層大氣，將其轉變為可以導電的電子和帶電離子的組合。火星大氣層表現得有點像關閉電路的金屬球體，洋流在高層大氣中流動，最強的洋流層持續在地球表面上方120-200公裡(約75-125英裡)處。

MAVEN和之前的任務之前都看到過這些電流層的局部跡象，但以前從未能夠繪製出完整的電流系統圖，從太陽風中產生，到電能在高層大氣中儲存的地方。直接探測太空中的這些電流是出了名的困難，幸運的是，這些電流扭曲了太陽風中的磁場，而這是MAVEN的靈敏磁力儀可以探測到。研究小組使用MAVEN繪製了火星周圍三維的平均磁場結構，並直接根據它們對磁場結構的扭曲計算出電流。只需一次優雅的操作，電流的強度和路徑就會從這張磁場圖中突現出來。

紅色星球的命運

在火星周圍沒有全球磁場的情況下，太陽風中感應的電流，可以與火星上層大氣形成直接的電連接。電流將太陽風的能量轉化為磁場和電場，加速帶電的大氣粒子進入太空，推動大氣逃逸到太空。新研究結果揭示了MAVEN理解大氣逃逸目標幾個意想不到的特徵：驅動逃逸的能量似乎來自比通常假設大得多的體積。由太陽風驅動的大氣損失已經活躍了數十億年，並促成了火星從一個溫暖潮溼的星球，轉變為一個全球寒冷的沙漠。

Maven正在繼續探索這個過程是如何運作的，以及地球的大氣層已經損失了多少。這項研究是由MAVEN任務資助，Maven首席研究員在科羅拉多大學博爾德的大氣和空間物理實驗室工作，美國宇航局戈達德太空飛行中心負責管理MAVEN項目。美國宇航局（NASA）正在探索太陽系和更遠的地方，用強大的太空和地面任務儀器揭開近處和遠方的世界、恆星和宇宙之謎。

博科園｜研究/來自：美國宇航局戈達德太空飛行中心

研究發表期刊《自然天文學》

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  • 大氣層的逃逸，對火星會有多大的影響呢？
    火星，便是擁有大氣層的行星之一，但火星的大氣層卻有些稀薄。同時，火星沒有全球性的內秉磁場，大氣層中的電離層直接暴露在太陽風中，太陽風能夠將能量和動量直接傳遞給高層大氣、電離層，引起大氣逃逸。而太陽紫外輻照、電子撞擊或電荷交換，高層大氣中的原子氧一旦電離,新生的氧離子就直接暴露在太陽風中，受到環境電磁場的作用，大部分離子會被太陽風電場「拾取」，從而加速逃離行星。另外，火星離子和電子的加速、離子的外流，既有無磁行星電離層與太陽風直接耦合的特點，又與地球極間區場向電場加速相似的特徵，使得圍繞火星磁異常可能會形成離子加速的「熱點」。
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