火星失水之謎：中國科學家揭示氫離子逃逸新機制

在浩瀚的宇宙中，火星這顆紅色星球始終吸引著人類的目光。它荒涼的地表下隱藏著一個巨大的謎團——曾經可能擁有海洋和河流的火星，如今為何變成了一片干涸的荒漠？近日，中國科學院國家空間科學中心的研究團隊在這個問題上取得了突破性進展，他們通過磁流體力學模擬，發現了火星氫離子逃逸的潛在主導機制，為理解火星大氣演化和宜居性喪失提供了新的視角。

祝融號火星車與著陸器在火星表面的合照，由其釋放的一臺分離式相機拍攝

（來源：新聞聯播）

氫離子的太空逃亡路徑

火星大氣層中的氫離子向太空逃逸，是火星失水的重要原因之一。長期以來，科學家們一直認為，這些氫離子主要是通過火星磁尾的電離層出流而損失的。然而，中國科學院國家空間科學中心以及南京大學深空探測科學與技術研究院的研究人員，通過精密的五流體磁流體力學模型，得出了令人意外的結論。

研究團隊發現，火星氫離子損失的主要源頭并非傳統認為的電離層離子通過磁尾的出流，而是氫外逸層電離產生的新生氫離子逃逸。這個發現顛覆了科學界的傳統認知。模擬結果顯示，超過90%的氫離子損失發生在磁鞘和太陽風區域，而通過磁尾逃逸的氫離子僅占總逃逸率的5%左右。這意味著，我們需要重新審視火星大氣逃逸的物理機制。

火星與地球相似的內部結構

（圖片來源：維基百科）

拾取離子：被太陽風“綁架”的氫原子

那么，這些氫離子是如何逃離火星引力束縛的呢？答案就在“拾取離子加速”這一獨特的物理過程中。當火星外層大氣（外逸層）中的中性氫原子與太陽風中的質子發生碰撞時，會發生電荷交換反應，中性氫原子失去電子變成氫離子，而太陽風質子則獲得電子變成中性原子。新生成的氫離子立即被太陽風的對流電場捕獲并加速，就像被太陽風“綁架”了一樣。

這種拾取加速為氫離子提供了足夠的能量來克服火星引力并逃逸到太空。研究發現，離子成分邊界的位置在這個過程中起著關鍵的調節作用。離子成分邊界是太陽風等離子體與行星離子之間的分界面，在這個邊界上方，離子的運動主要受太陽風對流電場控制。由于氫離子的回旋半徑較小，小于火星感應磁層的特征尺寸，它們表現出與太陽風流對齊的尾部逃逸軌跡，而不像氧離子那樣形成明顯的離子羽流。

有趣的是，研究還發現，拾取的氫離子主要起源于離子成分邊界之外，這是因為在邊界處加速的氫離子由于較小的回旋半徑會再循環回電離層。相比之下，氧分子離子則被離子成分邊界處的強電場有效加速，形成離子羽流，確認了它們的電離層起源。這種差異揭示了不同質量離子在火星磁層環境中的獨特行為模式。

沙塵暴與太陽風暴的推波助瀾

火星上的沙塵暴不僅改變著這顆紅色星球的地貌，還深刻影響著它的大氣逃逸過程。研究團隊通過模擬發現，季節性重復或沙塵暴驅動的氫外逸層密度變化，可以顯著調節氫離子逃逸率。在火星南半球夏季的沙塵暴期間，大氣加熱和水汽輸送會導致氫外逸層密度增加，進而增強氫離子的逃逸。模擬結果表明，在沙塵暴條件下，氫離子逃逸率可以增加到正常條件下的三倍以上。

更引人注目的是太陽風條件對氫離子逃逸的影響。當日冕物質拋射等空間天氣事件發生時，增強的太陽風通量會直接放大氫離子的產生率。在極端太陽風條件下（太陽風密度增加三倍、速度增加一倍），全球氫離子逃逸率可以激增五倍以上。這種對太陽風通量的依賴性凸顯了拾取離子逃逸通道在火星歷史上對氫損失的重要性。

研究還考察了火星殼磁場位置的影響。當殼磁場位于夜側時，由于減少了日側的磁場屏蔽，離子成分邊界的高度降低，使更多離子暴露于太陽風加速作用下，從而略微增加了氫離子逃逸率。這些發現表明，火星氫離子逃逸是一個受內部和外部多種因素共同控制的復雜過程。

火星演化史的新線索

盡管現今條件下氫離子全球逃逸率比中性氫原子的熱逃逸率低1至2個數量級，表明氫離子逃逸在當前火星大氣損失中扮演次要角色，但這項研究為理解火星的長期演化提供了重要線索。在火星歷史的早期，當太陽更年輕、太陽風更強烈時，拾取離子逃逸過程可能以更快的速度剝奪火星的氫元素，進而導致水的大量損失。

這一發現與我國“天問一號”火星探測器的科學目標高度契合。天問一號搭載的火星離子與中性粒子分析儀正在對火星離子逃逸進行觀測，有望為這一理論提供更多觀測證據。通過結合地面模擬和空間探測，科學家們正在逐步拼湊出火星從溫暖濕潤世界轉變為今天干燥星球的完整圖景。

研究團隊使用的五流體磁流體力學模型能夠分別求解太陽風質子、行星氫離子、氧離子、氧分子離子和二氧化碳離子的連續性、動量和能量方程，實現了對離子加速、輸運和逃逸過程的詳細分析。模型采用了從火星表面上方100公里延伸到40個火星半徑的大型計算域，避免了邊界效應的影響。這種高精度的數值模擬為理解復雜的等離子體相互作用提供了強有力的工具。

展望：理解行星宜居性的鑰匙

這項發表在《地球物理研究快報》上的研究成果，不僅加深了我們對火星大氣逃逸機制的理解，也為研究其他類地行星的大氣演化提供了重要參考。火星作為地球的近鄰，其大氣演化歷程對理解地球自身的宜居性維持機制具有重要啟示意義。

隨著人類探索火星的步伐不斷加快，理解火星大氣逃逸的物理過程變得愈發重要。這不僅有助于重建火星的氣候歷史，預測其未來的演化趨勢，還可能為未來的火星改造計劃提供科學依據。中國科學家在這一前沿領域取得的突破，標志著我國在行星科學研究中正發揮著越來越重要的作用。

火星氫離子逃逸的故事，是一個關于時間、空間和物質相互作用的宏大敘事。從微觀的電荷交換反應到宏觀的行星演化，從瞬時的太陽風暴到漫長的地質年代，這項研究將不同時空尺度的物理過程巧妙地聯系在一起，展現了行星科學研究的魅力。隨著更多探測數據的積累和理論模型的完善，我們終將揭開火星失水之謎的全貌，并從中獲得保護地球家園的智慧。

祝融號火星車拍攝的火星表面

（來源：新聞聯播）

參考文獻：

【1】Xu, Q., Xie, L., Li, L., Zhang, Y., Wang, L., Qiao, F., et al. (2025). The importance of pickup H+ escape at Mars. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL117053. https://doi.org/10.1029/2025GL117053

出品：科普中國

作者：吳剛（中國科學院深圳先進技術研究院）

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