火星大气逃逸之谜：科学家首次直接观测到火星大气溅射现象

科学家首次直接观测到火星大气溅射现象

数十亿年前，火星曾经拥有能够支持液态水存在的厚重大气层，但如今却只剩下极其稀薄的二氧化碳大气。近日，美国科罗拉多大学，加州大学伯克利分校，法国基扬古尔的大学以及爱荷华大学的科学家们利用美国宇航局NASA的火星大气与挥发物演化探测器9年多的观测数据，首次直接观测到火星大气中的"溅射"现象，为解开火星大气消失之谜提供了重要线索。这一重大发现不仅证实了大气溅射在现代火星上依然活跃，还发现其强度远超此前预期。

什么是大气溅射：太阳风的"偷盗"行为

太阳风运动电场驱动的溅射

要理解大气溅射，我们可以将其想象成一场微观世界的"撞球游戏"。当来自太阳的高能粒子流，也就是太阳风撞击火星大气时，就像台球杆击中球堆一样，会将火星大气中的原子和分子"撞飞"到太空中。这个过程被科学家称为"大气溅射"现象。

与地球不同，火星几乎没有全球性磁场保护，因此太阳风可以直接与火星大气相互作用。在这种情况下，太阳风中的离子会被加速并撞击火星高层大气，将足够的能量传递给大气分子，使它们获得超过逃逸速度的动能，最终逃逸到太空中。

研究表明，这种"大气溅射"行为在火星早期历史中可能扮演了关键角色。当时太阳更加年轻活跃，太阳风强度和紫外辐射都比现在强得多，溅射过程可能是导致火星大气大规模流失的主要机制。

氩气：揭示溅射秘密的"侦探"

观测大气溅射面临着巨大挑战，因为氧气和二氧化碳等主要大气成分会发生复杂的化学反应，很难区分哪些是由溅射产生的，哪些是由其他过程形成的。

科学家们巧妙地选择了氩气作为研究对象。氩气是一种惰性气体，不易发生化学反应，而且比较重，不容易通过其他方式逃逸。更重要的是，火星大气中氩同位素的比例显示，较轻的氩-36被优先移除，而较重的氩-38相对富集，这种同位素分馏模式只有溅射过程才能产生。

研究团队使用了一个创新的方法，将氩气密度与太阳风电场建立关联。他们发现，在火星大气350-400公里高度，当太阳风电场指向火星内部时（即离子会撞击火星的区域），氩气密度显著高于电场指向外部的区域。这种差异在较低高度（250-300公里）并不明显，符合模型预测的溅射主要发生在高海拔区域的结论。

震撼发现：溅射强度超出预期4倍

通过对MAVEN探测器2015年至2024年间的观测数据进行统计分析，研究团队获得了令人震撼的发现。在350-400公里高度，负电场区域的氩气密度比正电场区域高出9.8倍，而理论模型预测仅为2.2倍。

这意味着现代火星的大气溅射速率比此前预测高出4倍以上。以氩气为例，当前的溅射逃逸速率达到每秒2.1×10²³个原子，远超模型预测的4.9×10²²个原子每秒。

如果将这一发现推广到其他大气成分，氧气、一氧化碳、二氧化碳等主要大气成分的逃逸速率可能都被严重低估。研究估算，溅射过程可能使火星大气中氧和碳的总流失量增加15%至30%。

太阳风暴的"放大镜"效应

研究团队还观察到了一个极为有趣的现象：太阳风暴会显著增强大气溅射效应。在2016年1月观测到的一次日冕物质抛射事件中，氩气密度在太阳风暴冲击波到达火星后急剧增加，增幅超过两个数量级。

这一观察为我们提供了一个"时间窗口"，让我们得以窥见早期太阳系中更加剧烈的空间天气条件。在火星形成初期，太阳活动远比现在频繁和强烈，类似的极端事件可能每天都在发生，从而导致火星大气的快速流失。

研究方法的巧思：火星-太阳电场坐标系

为了准确测量溅射效应，研究团队开发了一套精巧的观测方法。他们使用MAVEN携带的多种仪器：太阳风离子分析仪（SWIA）测量太阳风参数，磁强计（MAG）监测磁场变化，中性气体与离子质谱仪（NGIMS）测量不同高度的氩气密度。

关键的创新在于采用了"火星-太阳电场"（MSE）坐标系，这个坐标系能够精确描述太阳风电场的方向。研究团队将火星周围的空间分为两个半球：当电场指向火星内部时为"负E半球"（离子会撞击火星），当电场指向外部时为"正E半球"（离子会逃逸）。

通过比较这两个半球中氩气密度的差异，研究者能够排除其他因素的影响，专门观测溅射过程的效果。这种方法的巧妙之处在于，它利用了太阳风本身的变化作为"天然实验"的控制条件。

为了证实观测结果的可靠性，研究团队进行了三种不同的统计检验。卡方检验显示，在350-400公里高度观测到的氩气密度差异只有0.79%的概率是偶然现象。斯皮尔曼等级相关检验表明，高海拔和低海拔的氩气分布模式存在显著差异，证明不同的物理过程在起作用。曼-惠特尼U检验进一步确认了两个高度区间的氩气密度来自不同的分布群体。

这些严格的统计分析确保了研究结论的科学性和可靠性，排除了其他可能的解释，如重力波、波加热或电流等过程。