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我们报道了热的太阳风质子通过连接太阳风和火星电离层的磁通量绳源源不断进入火星电离层，与冷的火星电离层重离子发生碰撞，将能量传递给重离子并导致重离子逃逸。连接热的无碰撞等离子体和冷的碰撞等离子体的磁通量绳充当虹吸管的作用，直接将无碰撞等离子体的粒子能量传递给碰撞等离子体的粒子能量。这种虹吸能量传递的方式可能广泛存在于宇宙中的很多跨尺度区域，即从碰撞到无碰撞的过渡区域。
中文题目：火星电离层上的“龙吸水”：太阳风与火星电离层虹吸能量传递
英文原题：The siphonic energy transfer between hot solar wind and cold Martian ionosphere through open magnetic flux rope
通讯作者/第一作者：徐晓军，澳门科技大学
关键词：火星；太阳风；磁绳；离子逃逸；电离层
背景介绍
火星是如何从一颗湿润的行星变成现在干燥缺水的行星的？由于目前观测到的逃逸机制无法解释火星大气和水的逃逸总量，因此，火星的大气和水逃逸一直是一个未解之谜，也是行星科学研究的热点。由于火星没有全球性的内禀磁场，太阳风和火星电离层相互作用形成了感应磁层结构。太阳风或行星际磁场在火星向阳面电离层上游堆积，形成磁堆积区。在该区域，磁力线类似于一根根绳子挂在火星电离层上方。此处由于磁压很强，太阳风等离子体会被挤压从而沿着磁力线从两侧滑走。堆积的磁力线会缓慢进入火星电离层，并将部分磁能转化为火星电离层离子的能量，而太阳风等离子体通常不能直接进入火星电离层。在火星电离层下层，由于带电粒子和中性粒子密度较高，碰撞效应非常显著。而在火星电离层上层至太阳风区域，带电粒子都是无碰撞的。因此，通常情况下，碰撞等离子体向无碰撞等离子体过渡（跨尺度）的区域，往往是通过电磁场交换能量，二者中的粒子之间无法直接交换能量。而跨尺度区域之间的能量耦合问题是一个鲜有人问津的研究领域。
研究成果
徐晓军教授团队与国内外合作者联合研究发现，当有磁通量绳连接火星电离层下层和太阳风时，热的太阳风质子热运动速度较大，能通过热运动进入到火星电离层下层，和当地冷的重离子和中性粒子发生碰撞，将自身的能量通过碰撞传递给重离子，使重离子的速度超过火星的逃逸速度，并沿着磁通量绳逃逸至太阳风中，如图1所示。热的太阳风质子碰撞后温度降低，热压减小，和太阳风之间形成一个负压，导致太阳风中的热的质子源源不断地通过磁通量绳进入到火星电离层下层，将太阳风质子的能量直接传递给火星电离层粒子，进而导致火星电离层离子不断地从火星逃逸。这种类似于虹吸现象的机制被称为虹吸能量传递。这是一种全新的火星离子逃逸机制，而且也是无碰撞等离子体和碰撞等离子体之间的能量交换机制，为解释跨尺度区域的能量耦合问题提供了新的思路。
图1 火星电离层与太阳风之间的虹吸能量传递
未来方向
充当火星电离层与太阳风之间虹吸能量传递的虹吸管可以不必是磁通量绳，一般的开放磁力线或者磁通量管都行。而且，火星上可以同时存在多根虹吸管。如果把虹吸管导致火星电离层离子逃逸看成海面上的龙吸水现象，那么，有望从观测数据中证认火星电离层中非常壮观的群龙吸水现象。
主要作者简介
徐晓军 澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室教授。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。研究方向为月球与行星空间环境。主持国家自然科学基金3项，澳门科技发展基金4项。在Nature Astronomy等权威期刊发表论文80余篇，其中第一作者或通讯作者论文近40篇。
引用本文
Xiaojun Xu, Lou-Chuang Lee, Qi Xu et al., The siphonic energy transfer between hot solar wind and cold martian ionosphere through open magnetic flux rope, Fundamental Research, 4(4) (2024) 882–889.
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822001959
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