出品：新浪科技《科学大家》 科学探索奖
作者：范开、魏勇
作者简介：魏勇研究员，中国科学院地质与地球物理研究所。
写在前面
作为中国首个火星探测任务，"天问一号"火星探测是2021年国内最被公众关注的科学大事件之一。"科学探索奖"特别邀请了"天问一号"首席科学家助理、国科大行星科学教授、2020年"科学探索奖"获奖人魏勇开设专栏'行星学者聊火星'，解读火星探测任务在各个关键时间节点上的科学进展。
2021年2月，我国自主研发的首颗火星探测器"天问一号"历经6个多月，跨越4.65亿公里成功抵达火星。回顾之前的系列文章，"天问一号"的主要科学任务包括调查火星表面环境进而理解火星大气的演化过程。在我国"天问一号"成功发射之前，国际火星卫星探测任务主要由美国、前苏联和欧洲的大型航空航天机构主导。
它们的研究结果显示，在约40亿年前，火星表面曾经存在过湖泊与海洋，但是今天的火星表面却无比干涸，其表面形貌特征与我国甘肃、青海、新疆等地的雅丹等风蚀地貌类似。为什么地球的表面仍然存在着海洋而火星的湖泊却不见了呢？地球的未来可能像如今的火星一样干涸吗？这些有关"火星表面液态水的去向"问题成为科学家关注的重中之重。
图1：火星、地球冲积扇卫星照片对比图
Credit：NASA（左），ESA（右）
如果把火星与地球对比，可以发现不少差异，其中，由两点区别尤其引人瞩目：
火星质量更小、重力仅为地球的0.38；
火星缺乏内禀磁场，不像地球的地磁场能够延伸至地表50，000公里以上的高空。
引力更小，意味着火星表面的水、干冰通过蒸发、升华进入火星大气后，更容易扩散至高空、被太阳辐射电离，分解成H+、O+、CO+、CO2+等带电粒子；而火星又缺乏类似地球的"全球地磁场"，这些高空中的带电粒子在火星向阳面400至600公里的高度即可进入太阳风、被太阳风电场加速，最终逃逸损失至行星际空间。这一过程，称为"离子逃逸"，是导致火星表面水成分和大气损失的重要原因之一，也是欧洲航天局"火星快车"（Mars Express，2003年）、美国国家航空航天局（NASA）"火星大气与挥发物演化"（Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN，MAVEN，2013年）任务的主要科学目标。
图2：MAVEN逃逸离子观测结果
Credit：NASA
驱动离子逃逸的主要能量来源是太阳辐射和太阳风。当太阳风条件增强时，火星磁层的离子逃逸速率也会成倍上升：譬如中国科学院地质与地球物理研究所魏勇研究员2011年的研究结果显示，当太阳风动压增强2至4倍时，火星全球离子逃逸速率升高一个量级。此外，当太阳活动水平较强时，经常伴随高强度的太阳耀斑、日冕物质抛射使火星处的太阳辐射、太阳风动压大幅增强。但是，不论是Mars Express还是MAVEN都是单颗卫星环绕火星开展就位测量、其卫星的轨道周期长达4~6个小时，时长远远高于火星磁层中的离子逃逸现象对太阳爆发事件的响应时间。
图3：MAVEN、EscaPADE卫星探测轨道示意图
Credit：NASA
另外，单颗卫星在环绕火星的过程中也无法同时检测太阳风和火星磁层的变化——当探测器位于太阳风中时，便失去了磁层离子的信息；而当飞船进入磁层，则无法监控太阳风的变化，也就无法呈现火星磁层对太阳风参数变化的实时响应，所以，为了弥补单颗卫星的探测局限，NASA计划于2024年开展"逃逸与等离子体加速及动理学探索者"（The Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）双卫星火星探测.............
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