火星上空没有海洋,却翻滚着宽达上千公里的“巨浪”。它们不是水浪,而是太阳风与火星高层大气交界处形成的等离子体涡卷。

最新观测显示,这些看不见的浪会卷起含氧离子,成团抛向太空。浪团内部的离子通量,可比典型稳定逃逸通道高出一个至两个数量级,也就是约10至100倍。

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概念画面展示太阳风与火星相互作用;彩色轨迹不是肉眼可见的真实光带。

这一次,关键不是一艘飞船,而是“两边同时看”

研究发表于《科学进展》。NASA的MAVEN探测器在火星附近测量正在逃逸的氧离子,天问一号则在更上游监测尚未撞上火星的太阳风。前者像守在河口看被冲走的泥沙,后者则同时记录上游水势。

过去只靠单个探测器,很难判断一团等离子体云究竟由火星附近自行产生,还是太阳风本身突然变化后被带过来。双探测器同步观测把“原因”和“结果”放进同一条时间链,研究团队据此给出开尔文—亥姆霍兹不稳定性驱动大规模离子逃逸的直接证据。

所谓“巨浪”,是两股流体速度不同造成的卷边

当两层流体沿交界面以不同速度运动,微小扰动会被剪切放大,最终卷成一串涡旋。云层翻卷、海面风浪都能出现类似结构;在火星,这两层“流体”换成了太阳风等离子体与行星高层大气。

论文分析2021年12月至2023年12月的重叠观测,识别出16次孤立事件和46次准周期事件。两点测量还发现,部分波包的横向尺度小于0.6个火星半径,约2000公里,比过去单点观测给出的估计小得多。

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箭头标出太阳风和电场方向,蓝色卷边表示可能形成波包的边界区域。

为什么大气逃逸偏偏集中在火星一侧?

研究发现,这些等离子体云并非均匀环绕火星,而主要出现在由太阳风电场方向决定的一侧。换句话说,太阳风不仅提供能量,还像一只不断换方向的手,决定边界哪一侧更容易卷起涡浪。

波包经过时,研究人员同时看到质子流发生涡旋式偏转、磁场被压缩,以及O+和O₂+通量显著增强。几种独立信号共同出现,比只看某一种离子突然增多更能支持“波浪卷走大气”的解释。

“最高百倍”很惊人,却不等于火星大气马上消失

这里比较的是局部波包内部的瞬时离子通量与典型稳定通道,不是整颗火星的长期总损失率。要算它对几十亿年大气演化贡献多大,还必须知道这类波多久出现一次、能维持多长时间,以及不同太阳活动条件下会增强多少。

火星远古大气变薄也不是单一机制的结果。太阳紫外辐射、光化学逃逸、溅射和太阳风剥蚀等过程都会参与。这项研究补上的是一条此前缺少直接上游证据的“成团搬运通道”,并没有单独解释火星为何从湿润世界变成今天的寒冷荒漠。

真正重要的,是它把火星经验推向了更远的世界。没有强全球磁场的行星与恒星风接触时,也可能出现同类边界波。未来若要判断一颗系外行星能否长期保住大气,除了看温度和水,还得问一句:它的天空,是否也在被无形巨浪一层层卷走?