地质地球所研究建立火星全球磁场模型

火星是地球的近邻。通常认为,火星在大约40亿年以前具有类似地球的全球偶极磁场,并存在宜居的生命环境。但由于某种原因在大约40亿年前,火星内部磁场发电机停止、全球磁场消失,导致外部太阳风直接与火星大气发生相互作用,加剧了火星大气的剥蚀和逃逸,火星也逐渐演化成为一颗大气稀薄、气候干冷的行星。

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当前火星虽然没有全球偶极磁场,但是火星表面磁性岩石矿物则以剩磁的形式记录下了火星早期存在全球磁场的证据。最早证实火星存在内禀岩石剩磁的直接证据来自于美国早期的火星全球探测者(Mars Global Surveyor, MGS)飞船的观测。MGS的观测显示火星岩石剩磁主要分布在南半球,据估计在火星表面一般能达上千纳特以上,强度普遍要比地球的强得多,地球岩石磁场平均为几百纳特(图1)。

火星的岩石磁场会显著影响太阳风与火星大气的相互作用过程,造成火星复杂的空间环境特征(图2)。岩石剩磁分布不仅对于调控火星磁层结构,影响火星空间等离子体的运动和分布都扮演着非常重要的角色,而且对于探寻火星磁场发电机演化历史,部署相关科研探测任务也具有重要的意义。因此发展一个准确、可靠的火星全球岩石剩磁模型对于研究火星空间环境、剩磁场源分布、发电机演化历史,具有非常关键的作用。

当前国际主流的火星岩石剩磁模型主要是基于MGS卫星在高度400千米左右的磁场观测数据建立起来的,因为这些主流模型中的误差成分外推到低高度时会被放大,所以对于描述低高度(小于400千米)的剩磁分布会有较大不确定性。美国的火星大气与挥发物演化(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, MAVEN)飞船于2014年9月抵达火星。MAVEN卫星的观测极大地丰富了低高度的火星岩石剩磁观测,其椭圆轨道近火点的高度最低可到120千米左右。

在综合比较当前主流模型的优缺点基础上,中国科学院地质与地球物理所地球与行星物理院重点实验室博士研究生高佳维及其导师戎昭金、魏勇研究员等,综合MGS与MAVEN两颗飞船的磁场观测数据,建立了我国首个火星全球岩石剩磁模型。

新的模型与当前其他主流模型相比,可以更准确地描述在低高度范围内(120-500千米)的岩石剩磁分布。图3显示了在120千米高度处,模型得到的磁场全球分布图。更进一步,利用构建的新模型,他们对祝融号火星车以及洞察号火星车着陆区域上空120千米高度的剩磁分布进行了研究(图4)。通过与其他主流模型对比,发现其他模型严重低估了低高度的小尺度岩石剩磁分布,而他们的新模型则能相对较好地描述这些小尺度岩石剩磁的分布。

该研究发展的新模型为进一步开展相关火星科学研究及部署相关火星探测任务提供了磁场模型参考。随着未来我国“天问一号”火星探测器的磁场探测数据的加入,模型的可靠性有望得到进一步提升。

研究成果发表于国际学术期刊Earth and Space Science (DOI: 10.1029/2021EA001860)。

图1 MGS卫星在低高度探测到强岩石剩磁示意图(上;Connerney et al., 2004);MGS探测到的岩石剩磁的径向分量Br的分布(下;Acuna et al., 1999)。

图2 太阳风与火星相互作用示意图(Brain, 2007)。从大尺度上而言,火星空间环境与金星类似,由太阳风与火星大气相互作用形成;从小尺度上而言,火星岩石剩磁能与太阳风发生相互作用,形成类似地球磁层的迷你小磁层。

图3 磁场模型在120千米高度处的全球分布图,Br为径向分量;Bθ为南向分量;Bφ为东向分量。黑线为火星表面水平高度为零的参考线。

图4 新的磁场模型(G110)与前人模型(L134)在洞察号着陆区(a,b)、祝融号着陆区(d,e)的磁场径向分量分布图。(c,f)为两个模型之间的差别(G110-L134)。

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