地質地球所研究建立火星全球磁場模型

　　火星是地球的近鄰。通常認為，火星在大約40億年以前具有類似地球的全球偶極磁場，并存在宜居的生命環境。但由于某種原因在大約40億年前，火星內部磁場發電機停止、全球磁場消失，導致外部太陽風直接與火星大氣發生相互作用，加劇了火星大氣的剝蝕和逃逸，火星也逐漸演化成為一顆大氣稀薄、氣候干冷的行星。

　　當前火星雖然沒有全球偶極磁場，但是火星表面磁性巖石礦物則以剩磁的形式記錄下了火星早期存在全球磁場的證據。最早證實火星存在內稟巖石剩磁的直接證據來自于美國早期的火星全球探測者(Mars Global Surveyor, MGS)飛船的觀測。MGS的觀測顯示火星巖石剩磁主要分布在南半球，據估計在火星表面一般能達上千納特以上，強度普遍要比地球的強得多，地球巖石磁場平均為幾百納特（圖1）。

　　火星的巖石磁場會顯著影響太陽風與火星大氣的相互作用過程，造成火星復雜的空間環境特征（圖2）。巖石剩磁分布不僅對于調控火星磁層結構，影響火星空間等離子體的運動和分布都扮演著非常重要的角色，而且對于探尋火星磁場發電機演化歷史，部署相關科研探測任務也具有重要的意義。因此發展一個準確、可靠的火星全球巖石剩磁模型對于研究火星空間環境、剩磁場源分布、發電機演化歷史，具有非常關鍵的作用。

　　當前國際主流的火星巖石剩磁模型主要是基于MGS衛星在高度400千米左右的磁場觀測數據建立起來的，因為這些主流模型中的誤差成分外推到低高度時會被放大，所以對于描述低高度(小于400千米)的剩磁分布會有較大不確定性。美國的火星大氣與揮發物演化(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, MAVEN)飛船于2014年9月抵達火星。MAVEN衛星的觀測極大地豐富了低高度的火星巖石剩磁觀測，其橢圓軌道近火點的高度最低可到120千米左右。

　　在綜合比較當前主流模型的優缺點基礎上，中國科學院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室博士研究生高佳維及其導師戎昭金、魏勇研究員等，綜合MGS與MAVEN兩顆飛船的磁場觀測數據，建立了我國首個火星全球巖石剩磁模型。

　　新的模型與當前其他主流模型相比，可以更準確地描述在低高度范圍內（120-500千米）的巖石剩磁分布。圖3顯示了在120千米高度處，模型得到的磁場全球分布圖。更進一步，利用構建的新模型，他們對祝融號火星車以及洞察號火星車著陸區域上空120千米高度的剩磁分布進行了研究（圖4）。通過與其他主流模型對比，發現其他模型嚴重低估了低高度的小尺度巖石剩磁分布，而他們的新模型則能相對較好地描述這些小尺度巖石剩磁的分布。

　　該研究發展的新模型為進一步開展相關火星科學研究及部署相關火星探測任務提供了磁場模型參考。隨著未來我國“天問一號”火星探測器的磁場探測數據的加入，模型的可靠性有望得到進一步提升。

　　研究成果發表于國際學術期刊Earth and Space Science (DOI: 10.1029/2021EA001860)。

圖1 MGS衛星在低高度探測到強巖石剩磁示意圖（上；Connerney et al., 2004）；MGS探測到的巖石剩磁的徑向分量Br的分布（下；Acuna et al., 1999）。

圖2 太陽風與火星相互作用示意圖（Brain, 2007）。從大尺度上而言，火星空間環境與金星類似，由太陽風與火星大氣相互作用形成；從小尺度上而言，火星巖石剩磁能與太陽風發生相互作用，形成類似地球磁層的迷你小磁層。

圖3 磁場模型在120千米高度處的全球分布圖，Br為徑向分量；Bθ為南向分量；Bφ為東向分量。黑線為火星表面水平高度為零的參考線。

圖4 新的磁場模型（G110）與前人模型（L134）在洞察號著陸區(a,b)、祝融號著陸區(d,e)的磁場徑向分量分布圖。(c,f)為兩個模型之間的差別（G110-L134）。