中國科學院地質地球所揭示火星磁尾重聯的高發生率及其對離子逃逸的影響

早期的火星被認為存在液態水，具備孕育生命的條件。然而，現在的火星已變得異常干燥，這預示著火星上可能長期存在大氣和水的丟失。在太陽風與火星大氣相互作用的過程中，行星際磁場被阻擋并拖拽在火星周圍形成拉伸狀的感應磁層。磁層尾部的電流片是火星離子逃逸的關鍵通道。磁重聯能夠改變磁場位形并加速等離子體，或是導致大量離子逃離火尾的關鍵誘因。然而，至今為止，人們對磁重聯在火星磁尾中的發生頻率以及其對離子逃逸的具體貢獻尚不清楚。

中國科學院地質與地球物理研究所院深地資源裝備技術工程實驗室博士后王磊與合作導師、研究員杜愛民，以及副研究員黃燦、研究員葛亞松等合作，基于MAVEN衛星積累的大量觀測數據，對火尾中的磁重聯過程進行了統計研究。磁重聯的典型特性包括霍爾磁場和高速離子出流。與以往傳統的單一甄別方法不同的是，該研究結合這兩種信號來識別磁重聯。科研人員在880個火尾電流片事件中發現有130個事件呈現出磁重聯信號，這一比例明顯高于以前的統計結果。該研究首次估算出磁重聯在火尾的發生率約為平均每天0.46次，這比在地球磁尾的情況（約每天0.34次）更高。磁重聯事件主要發生在火尾的中部或正Y半球或負Z半球。

該研究統計了電流片的特征，探尋火尾磁重聯頻繁發生的原因。結果表明，火尾電流片的平均厚度比質子趨膚深度更薄，而地球磁尾電流片的厚度一般為數個質子趨膚深度。質子尺度的電流片是磁重聯發生的必要條件，因此更薄的火尾電流片意味著這里更易發生磁重聯。盡管火尾瓣區的磁場比地球弱，但電流片更薄，這導致電流密度比地球上更高。

為了評估磁重聯對火尾離子逃逸的貢獻，研究人員對比了重聯電流片和未重聯電流片中的氫離子和氧離子的平均凈尾向離子通量。結果表明，在磁尾的大部分區域，磁重聯可以增強電流片中氫離子的尾向出流。平均來看，重聯電流片中的氫離子出流通量是非重聯電流片的1.7倍。然而，磁重聯對平均氧離子出流的影響并不明顯。這是由于在火星空間中氧離子回旋半徑長達數個火星半徑，其與磁場解耦，很難響應這種百公里到千公里尺度上的過程。 

該研究發現火尾中磁重聯是頻發的，且質子尺度的薄電流片可能是引發這一現象的主要根源。同時，該研究表明磁重聯對離子逃逸特別是氫離子逃逸，具有潛在貢獻。上述成果對探索火星磁尾動力學特征和大氣演化過程具有重要的科學意義。

相關研究成果發表在《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。