火星失水之谜：中国科学家揭示氢离子逃逸新机制

在浩瀚的宇宙中，火星这颗红色星球始终吸引着人类的目光。它荒凉的地表下隐藏着一个巨大的谜团——曾经可能拥有海洋和河流的火星，如今为何变成了一片干涸的荒漠？近日，中国科学院国家空间科学中心的研究团队在这个问题上取得了突破性进展，他们通过磁流体力学模拟，发现了火星氢离子逃逸的潜在主导机制，为理解火星大气演化和宜居性丧失提供了新的视角。

祝融号火星车与着陆器在火星表面的合照，由其释放的一台分离式相机拍摄

（来源：新闻联播）

氢离子的太空逃亡路径

火星大气层中的氢离子向太空逃逸，是火星失水的重要原因之一。长期以来，科学家们一直认为，这些氢离子主要是通过火星磁尾的电离层出流而损失的。然而，中国科学院国家空间科学中心以及南京大学深空探测科学与技术研究院的研究人员，通过精密的五流体磁流体力学模型，得出了令人意外的结论。

研究团队发现，火星氢离子损失的主要源头并非传统认为的电离层离子通过磁尾的出流，而是氢外逸层电离产生的新生氢离子逃逸。这个发现颠覆了科学界的传统认知。模拟结果显示，超过90%的氢离子损失发生在磁鞘和太阳风区域，而通过磁尾逃逸的氢离子仅占总逃逸率的5%左右。这意味着，我们需要重新审视火星大气逃逸的物理机制。

火星与地球相似的内部结构

（图片来源：维基百科）

拾取离子：被太阳风“绑架”的氢原子

那么，这些氢离子是如何逃离火星引力束缚的呢？答案就在“拾取离子加速”这一独特的物理过程中。当火星外层大气（外逸层）中的中性氢原子与太阳风中的质子发生碰撞时，会发生电荷交换反应，中性氢原子失去电子变成氢离子，而太阳风质子则获得电子变成中性原子。新生成的氢离子立即被太阳风的对流电场捕获并加速，就像被太阳风“绑架”了一样。

这种拾取加速为氢离子提供了足够的能量来克服火星引力并逃逸到太空。研究发现，离子成分边界的位置在这个过程中起着关键的调节作用。离子成分边界是太阳风等离子体与行星离子之间的分界面，在这个边界上方，离子的运动主要受太阳风对流电场控制。由于氢离子的回旋半径较小，小于火星感应磁层的特征尺寸，它们表现出与太阳风流对齐的尾部逃逸轨迹，而不像氧离子那样形成明显的离子羽流。

有趣的是，研究还发现，拾取的氢离子主要起源于离子成分边界之外，这是因为在边界处加速的氢离子由于较小的回旋半径会再循环回电离层。相比之下，氧分子离子则被离子成分边界处的强电场有效加速，形成离子羽流，确认了它们的电离层起源。这种差异揭示了不同质量离子在火星磁层环境中的独特行为模式。

沙尘暴与太阳风暴的推波助澜

火星上的沙尘暴不仅改变着这颗红色星球的地貌，还深刻影响着它的大气逃逸过程。研究团队通过模拟发现，季节性重复或沙尘暴驱动的氢外逸层密度变化，可以显著调节氢离子逃逸率。在火星南半球夏季的沙尘暴期间，大气加热和水汽输送会导致氢外逸层密度增加，进而增强氢离子的逃逸。模拟结果表明，在沙尘暴条件下，氢离子逃逸率可以增加到正常条件下的三倍以上。

更引人注目的是太阳风条件对氢离子逃逸的影响。当日冕物质抛射等空间天气事件发生时，增强的太阳风通量会直接放大氢离子的产生率。在极端太阳风条件下（太阳风密度增加三倍、速度增加一倍），全球氢离子逃逸率可以激增五倍以上。这种对太阳风通量的依赖性凸显了拾取离子逃逸通道在火星历史上对氢损失的重要性。

研究还考察了火星壳磁场位置的影响。当壳磁场位于夜侧时，由于减少了日侧的磁场屏蔽，离子成分边界的高度降低，使更多离子暴露于太阳风加速作用下，从而略微增加了氢离子逃逸率。这些发现表明，火星氢离子逃逸是一个受内部和外部多种因素共同控制的复杂过程。

火星演化史的新线索

尽管现今条件下氢离子全球逃逸率比中性氢原子的热逃逸率低1至2个数量级，表明氢离子逃逸在当前火星大气损失中扮演次要角色，但这项研究为理解火星的长期演化提供了重要线索。在火星历史的早期，当太阳更年轻、太阳风更强烈时，拾取离子逃逸过程可能以更快的速度剥夺火星的氢元素，进而导致水的大量损失。

这一发现与我国“天问一号”火星探测器的科学目标高度契合。天问一号搭载的火星离子与中性粒子分析仪正在对火星离子逃逸进行观测，有望为这一理论提供更多观测证据。通过结合地面模拟和空间探测，科学家们正在逐步拼凑出火星从温暖湿润世界转变为今天干燥星球的完整图景。

研究团队使用的五流体磁流体力学模型能够分别求解太阳风质子、行星氢离子、氧离子、氧分子离子和二氧化碳离子的连续性、动量和能量方程，实现了对离子加速、输运和逃逸过程的详细分析。模型采用了从火星表面上方100公里延伸到40个火星半径的大型计算域，避免了边界效应的影响。这种高精度的数值模拟为理解复杂的等离子体相互作用提供了强有力的工具。

展望：理解行星宜居性的钥匙

这项发表在《地球物理研究快报》上的研究成果，不仅加深了我们对火星大气逃逸机制的理解，也为研究其他类地行星的大气演化提供了重要参考。火星作为地球的近邻，其大气演化历程对理解地球自身的宜居性维持机制具有重要启示意义。

随着人类探索火星的步伐不断加快，理解火星大气逃逸的物理过程变得愈发重要。这不仅有助于重建火星的气候历史，预测其未来的演化趋势，还可能为未来的火星改造计划提供科学依据。中国科学家在这一前沿领域取得的突破，标志着我国在行星科学研究中正发挥着越来越重要的作用。

火星氢离子逃逸的故事，是一个关于时间、空间和物质相互作用的宏大叙事。从微观的电荷交换反应到宏观的行星演化，从瞬时的太阳风暴到漫长的地质年代，这项研究将不同时空尺度的物理过程巧妙地联系在一起，展现了行星科学研究的魅力。随着更多探测数据的积累和理论模型的完善，我们终将揭开火星失水之谜的全貌，并从中获得保护地球家园的智慧。

祝融号火星车拍摄的火星表面

（来源：新闻联播）

参考文献：

【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：科普中国

作者：吴刚（中国科学院深圳先进技术研究院）

监制：中国科普博览