太陽風(fēng)暴轟擊火星：大氣電子激增278%，兩顆探測器僥幸記下全

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2024年5月，一場20年來最強的太陽超級風(fēng)暴橫掃太陽系。地球幸而有磁場庇護，僅在南至墨西哥的天空綻放極光；火星卻沒那么幸運。這顆紅色星球的大氣層被高能粒子直接貫穿，短短64小時內(nèi)承受的輻射劑量相當(dāng)于往常200天。歐洲空間局（ESA）的兩顆火星軌道器恰好處于觀測位置，記錄下火星上層大氣電子數(shù)量暴漲278%的驚人景象。

這次觀測的關(guān)鍵在于一項名為"星-星無線電掩星"的新技術(shù)。火星快車號在即將沒入火星地平線時，向痕量氣體軌道器（TGO）發(fā)射無線電信號。信號穿透大氣層時被不同高度的氣體折射，就像穿過一枚隱形透鏡。TGO接收到的信號彎曲程度，精確反映了大氣密度與電子分布。

這項技術(shù)過去常用于探測器與地球之間的通信鏈路。ESA在過去五年才將其應(yīng)用于火星軌道器互測。研究團隊恰好在太陽耀斑擊中火星后10分鐘啟動觀測，這種時機純屬幸運——目前火星每周僅進行兩次此類觀測。

數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)暴在火星110公里和130公里高度造成兩個電子富集層。前者電子數(shù)量增加45%，后者更是激增278%，創(chuàng)下火星大氣電子密度的歷史觀測紀(jì)錄。TGO搭載的輻射監(jiān)測器記錄了驚人數(shù)據(jù)：探測器在64小時內(nèi)吸收的輻射劑量相當(dāng)于200個火星日的正常總和。

這種電子洪水源于太陽的三連擊：輻射耀斑、高能粒子爆發(fā)日冕物質(zhì)拋射。當(dāng)這些高速磁化等離子體與X射線抵達火星，直接剝離大氣中性原子的電子，使上層大氣變成帶電粒子 soup。由于火星缺乏全球性磁場，這些粒子長驅(qū)直入，毫無阻擋。

地球與火星對這場風(fēng)暴的反應(yīng)形成鮮明對比。地球磁場如同盾牌，既偏轉(zhuǎn)了多數(shù)致命粒子，又將部分導(dǎo)流至極地形成絢麗極光。火星沒有這道防線，其大氣層直接承受太陽風(fēng)的轟擊。這正是火星在漫長地質(zhì)歷史中失去大部分大氣和液態(tài)水的關(guān)鍵機制。

研究揭示，太陽風(fēng)暴期間火星上層大氣充滿電子，可能嚴(yán)重阻擋用于探測地表的雷達信號。這對未來火星采樣返回任務(wù)的通信規(guī)劃至關(guān)重要。理解這種能量沉積過程，有助于科學(xué)家重建火星從溫暖濕潤變?yōu)楹涓稍锏臍v史。

在這場空間天氣觀測的競賽中，中國并非旁觀者。天問一號火星探測器同樣搭載了掩星探測設(shè)備，具備監(jiān)測火星電離層的能力。雖然2024年5月的風(fēng)暴期間，天問一號處于不同軌道相位，但其在軌運行期間已積累大量火星電離層數(shù)據(jù)。

中國探月工程四期與行星探測工程正構(gòu)建自主的空間天氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。天問二號小行星采樣任務(wù)、天問三號火星采樣返回任務(wù)均將配備更先進的等離子體探測載荷。這些設(shè)備將與ESA、NASA的探測器形成互補，共同編織太陽系空間天氣的監(jiān)測網(wǎng)。

當(dāng)人類計劃在未來二十年實現(xiàn)載人登陸火星，準(zhǔn)確預(yù)測這種超級風(fēng)暴變得至關(guān)重要。沒有磁場的火星表面，輻射劑量足以對宇航員構(gòu)成致命威脅。這次觀測不僅是一次科學(xué)發(fā)現(xiàn)，更是對未來火星探險者的安全預(yù)警。