澳科大徐晓军团队「火星电离层物质抛射」登《自然•天文学》
2024年4月22日，由澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室徐晓军副教授带领包含中国大陆、澳门和台湾地区的研究团队在《自然•天文学》发表题为《In situ observation of mass ejections caused by magnetic reconnections in the ionosphere of Mars》（《火星电离层磁重联引起的物质抛射的原位观测》）的论文，首次提出并证实了普遍存在于恒星上的爆发性物质抛射现象也可以发生在磁化的行星上。论文的第一作者为叶煜东博士（现为中山大学博士后），通讯作者为徐晓军副教授和李罗权特聘教授，澳科大为论文的第一单位。
在太阳和其他恒星上，由磁场活动（如磁重联）引发的爆发性日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection, CME）是一种常见现象（如图1所示）。然而，这种爆发性现象是否能在带有大气层的磁化或部分磁化的行星上发生，尚未有定论。这项研究通过分析火星大气和挥发分演化任务（即MAVEN卫星）的数据，揭示了火星电离层中由于地壳磁场区域之间的磁重联而引发的爆发性物质抛射事件。这一发现为我们理解行星大气层的磁场活动提供了新的视角。
图1：太阳日冕中的磁重联引发了剧烈的日冕物质抛射现象(来自于网路)
该研究团队指出，火星的岩石磁场（也称作剩余磁场）很强，能够向上延伸至电离层中。因此，火星电离层中的磁场拓扑结构非常复杂，与太阳日冕的情况相似。此前的研究已经表明，磁重联现象在火星电离层中广泛存在。那么，是否存在和日冕物质抛射类似的电离层物质抛射（Ionospheric Mass Ejection, IME）现象？
由于火星电离层的等离子体密度较低，抛射出来的物质无法通过散射太阳光形成一个明亮的泡泡，因此，需要通过其他手段来确认电离层物质抛射现象的存在。2019年，徐晓军副教授的一项研究发现，在低等离子体β值（等离子体的热压与磁压之比）条件下，带电粒子无法横越磁力线快速填充等离子体中的密度空腔。在火星电离层强剩余磁场区域，等离子体β值可以非常低。因此，火星电离层物质抛射后留下来的伴随磁重联特征的密度空腔，可以作为证认火星电离层物质抛射的直接证据。
火星表面剩余磁场的多极子结构特征，使得太阳风磁场很容易和火星电离层中的剩余磁场发生磁重联，打开闭合的剩余磁场，形成开放的磁力线。当这些开放的磁力线恢复为闭合的磁力线，完成一个循环时，方向相反的开放磁力线之间发生的磁重联能将大量电离层物质直接抛射进入太空，形成电离层物质抛射现象，并在电离层中形成一个无法被快速填充的等离子空腔，如图2所示。
图2：研究团队利用MAVEN卫星在火星观测到电离层物质抛射后留下的密度空腔。火星强剩余磁场之间的开放磁力线重联导致了电离层物质抛射。
研究结果表明，这些物质抛射事件可能对火星大气层的长期演化产生重要影响。通过对MAVEN数据的分析，该研究团队估算出每个火星日可能发生3次电离层物质抛射事件，这些事件在火星历史上可能导致大量的水以离子形态逃逸。该研究团队还特别指出，火星以爆发性的电离层物质抛射和准稳态的原子和离子逃逸方式损失大气质量，竟然和太阳以爆发性的日冕物质抛射和准稳态的太阳风损失质量的方式令人震惊的相似。
这项研究不仅为我们提供了关于火星大气层演化的新见解，还能对理解其他行星和恒星大气层中类似现象的机制产生深远影响。随着未来火星探测任务的深入，我们对这颗红色星球的认识将越来越深入。以上研究成果得到了国家自然科学基金（42122061，42241112）和澳门科学技术发展基金（0098/2022/A2，0003/2022/AFJ）的资助。
近年来，徐晓军副教授团队在月球、金星和火星空间环境研究领域取得了一系列优秀的科研成果，发表了众多高水平论文。徐晓军副教授于2021年获得了国家自然科学基金优秀青年基金项目资助。
参考文献：
Yudong Ye, Xiaojun Xu* et al., In situ observation of mass ejections caused by magnetic reconnections in the ionosphere of Mars, Nature Astronomy, 2024. https://www.nature.com/articles/s41550-024-02254-3
Xiaojun Xu*, et al., ARTEMIS Observations of Well-structured Lunar Wake in Subsonic Plasma Flow, Astrophys. J., 881, 76, 2019.
