巨型等离子体波可能正在剥离火星大气层
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一幅艺术家的渲染图描绘了一场太阳风暴袭击火星并从其高层大气中剥离离子。
图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心
开尔文亥姆霍兹波可能有助于太阳风从火星剥离大气粒子。
火星持续暴露在从太阳向外高速运动的带电粒子流中。
地球的全球磁场会偏转大部分太阳风，但火星缺乏类似的屏障。
因此，这种粒子流会直接撞击火星的高层大气，并逐渐将部分大气粒子带入太空。
由波士顿大学牵头的研究人员已经确定了这种大气损失可能发生的一种方式。
他们发表在《科学进展》杂志上的研究发现，太阳风会扰动火星大气层的外缘，就像风会搅动水面一样。
这种相互作用会产生被称为开尔文亥姆霍兹波的大型翻滚结构，这种结构有助于将大气物质从行星上剥离。
两艘航天器揭示了缺失的环节
第一作者张弛是波士顿大学空间物理中心的一名研究科学家，他与同事们利用了美国国家航空航天局（NASA）的火星大气与挥发物演化（MAVEN）航天器和天问一号任务的测量数据开展研究。
该空间物理中心是波士顿大学文理学院与工程学院的一个合作项目。
天问一号在太阳风到达火星前对其未受干扰的状态进行了测量，而MAVEN则在更靠近火星的位置探测到了逃逸的大气离子。
结合这些观测结果，研究人员能够将实时太阳风状况与火星大气粒子损失的变化直接进行对比。
科学家们早已知道，火星上层大气中的大量等离子体云可以通过一种被称为整体逃逸的过程带走大量离子。
对于这些云是如何形成的，此前人们已经提出了几种可能的解释，但由于研究人员缺乏直接观测证据，它们的起源仍不确定。
太阳风与电场相互作用的示意图。
图片来源：波士顿大学张弛
单一航天器无法解决这个问题，因为它不能同时测量上游太阳风和火星附近逃逸的离子。
在《自然通讯》发表的一项早期研究中，张及其同事表明，MAVEN和天问一号的协同观测可以将入射太阳风的变化与火星周围的环境条件联系起来。
使用同样的双航天器方法，《科学进展》的研究发现开尔文亥姆霍兹波是大气离子逃逸的重要驱动因素。
这些波形成于运动的等离子体流过火星上层大气边缘的地方，搅动边界并产生能将大气粒子向外携带的大型云团。
大气逃逸偏向一侧
张及其同事发现了直接证据，表明开尔文亥姆霍兹波产生了观测到的等离子体云。
测量结果还显示，由此产生的大气损失在火星周围的分布并不均匀。
相反，它主要出现在行星的一侧，具体取决于太阳风电场的方向。
张说。
该电场的方向似乎决定了波最有效形成的位置以及增强逃逸发生的位置。
因此，这些结果将入射太阳风、开尔文亥姆霍兹波的发展以及大气离子的移除在一个观测序列中联系起来。
未来的任务将测量影响。
研究人员仍需确定这些波形成的频率、哪些太阳风条件会增强它们，以及它们会导致火星大气总损失的比例。
张指出：未来的研究将聚焦于确定有利于开尔文亥姆霍兹波形成和增长的条件，并确定它们对火星大气逃逸的贡献程度。
要回答这些问题，需要更多的航天器测量数据和更先进的数值模拟。
虽然某项航天器任务正进入收尾阶段，但张表示，另一项航天器任务可延续这项工作。
张表示：随着MAVEN任务进入收尾阶段，美国国家航空航天局（NASA）的ESCAPADE任务将为其丰富的科学遗产增添光彩。
ESCAPADE任务已发射升空，将为研究太阳风驱动的火星大气损失提供一个重要的新契机。
ESCAPADE预计将提供另一个机会，观察太阳风条件如何影响火星大气。
这些测量结果可能帮助研究人员估计开尔文亥姆霍兹波相对于其他移除大气粒子的过程的重要性。
我们想知道这些波最可能在何时形成、如何演化，以及它们能在多大程度上推动大气逃逸，波士顿大学空间物理中心教员、文理学院天文学助理教授董传飞（音译）说。
这一过程也可能发生在其他缺乏强磁场的行星上，包括一些系外行星。
因此，这些发现可能不仅适用于火星。
没有强全球磁场的行星，当恒星风直接与它们的上层大气相互作用时，可能会经历类似的边界波。
火星被认为曾具有潜在的宜居性，拥有更浓厚的大气层和表面液态水。
了解它如何变成我们如今所见的寒冷干燥星球，对于理解行星环境如何随时间演变至关重要，张说。
参考文献10.1126sciadv.aed9072
《火星行星离子逃逸的异常瞬态增强》，作者：张之、董传飞、周宏阳、贾斯珀哈莱卡斯、山内正俊、汉斯尼尔森、刘TZ、莫亚佩尔松、香农柯里、董雅雪、二形芳文、陈雨溪、周慕尼、鲁胡努西里苏兰加、凯瑟琳G汉利、克里斯蒂安马泽勒、徐少遂、罗宾拉姆施塔德、马茨霍尔姆斯特伦及陈立人，近期发表于《自然通讯》。
DOI：10.1038s4146702558351y
这项工作得到了以下资助：美国国家航空航天局（NASA）在火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）项目下授予的NNH10CC04C资助（授予S.C.）、美国国家航空航天局太阳系运作项目的80NSSC23K0911资助（授予C.D.）和80NSSC24K1843资助（授予C.F.D.）、阿尔弗雷德P斯隆研究奖学金（授予C.D.），以及普林斯顿高等研究院的IBM爱因斯坦学者基金（授予C.D.）。
相关知识
火星是太阳系八大行星之一，属于类地行星。
它呈橘红色外表，是因为地表被赤铁矿覆盖。
火星直径约为地球的一半，自转周期与地球相近，公转周期约为地球的两倍。
它有稀薄的大气层，表面有撞击坑、火山和峡谷等多种地形。
BY: Boston University
FY: AI
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引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？
核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。
首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。
火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。
不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。
乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。
然而事实并非如此。
地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。
当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。
要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。
而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。
那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。
这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。
而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。
每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。
从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。
换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。
这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。
听起来匪夷所思，但事实确实如此。
而事情还可以变得更加违反直觉。
由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。
以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。
这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。
原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。
相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。
正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。
因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。
这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。
不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。
至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。
它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。
借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。
不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。
在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。
听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。
问题的关键在于能量守恒。
当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。
一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。
相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。
行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。
所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。
理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。
日本发射火星卫星探测器 预计2031年返回地球
10月20日凌晨，日本航天探测器发射升空，将前往火星的卫星“火卫一”进行详细观测，并采样返回地球。如果任务成功，这将是人类首次从火星及其卫星采集样本并带回地球进行实验室分析。
该项目名为“火星卫星探测”（MMX）的任务，由日本宇宙航空研究开发机构主导，探测器预计将于2027年8月抵达火卫一。
科学家希望借助该项任务，解开火星两颗卫星的形成之谜。
英国自然历史博物馆教授萨拉·拉奎尔是MMX任务样本分析团队的副负责人。
她表示，此前还没有任何航天项目成功从火卫一采集样本并将其带回地球。
“我认为，这是一项极具野心且充满乐趣的任务。
” 太阳系内侧只有三颗天然卫星：地球的卫星月球，以及火星的两颗卫星：火卫一和火卫二。
火星卫星的体积都很小，火卫一的直径约为20公里，火卫二的直径约为10公里。
外形也不规则，看起来有些像太空土豆。
MMX探测器将先对火卫二进行观测，随后把重点转向火卫一。
任务团队计划先投放一辆小型探测车来勘察地形，但这并非易事。
拉奎尔解释说，此前人类从未在体积如此小的卫星上成功部署探测车。
“火卫一自身的引力非常微弱，它紧邻引力强大的火星，火星的引力会增加探测车着陆的难度。
”她解释说。
完成地形勘察后，MMX探测器将确定在火卫一上着陆的地点，再利用机械臂和两套采样装置进行取样。
这些样本将被装入一个小型太空舱，该太空舱预计于2031年返回地球，降落在澳大利亚南部的伍默拉沙漠。
此次任务计划带回的样本总量仅10克。
“样本量实际上很小。
”英国莱斯特大学研究人员克里萨·阿夫德利杜称，“但即使是只有一颗微粒，也足以开展多项研究。
科学家不需要带回数公斤的材料才能进行科学分析，因此取得的每一克样本都物有所值。
” 科学家希望，这些样本能够最终解开火星两颗卫星的起源之谜。
学界目前主要存在两种假说。
一种观点认为，在火星形成初期，一颗小行星或其他天体撞击了火星，撞击产生的碎片最终形成了火卫一和火卫二。
另一种观点则认为，这两颗卫星原本来自太阳系外围的游荡小行星，后来被火星的引力捕获。
“当我们拿到样本后，我们将详细分析其化学成分和矿物组成，再将假设对应的样本特征存在明显差异。
”拉奎尔并表示，“应该很快就能判断……哪一种假说更符合实际情况。
我们很快就会得出结论。
” 研究团队还期待，这次任务能够带来一个额外的惊喜：样本中可能包含来自火星本身的物质。
“令人感到十分兴奋的是，火卫一距离火星表面非常近，当其他天体撞击火星时，撞击产生的部分微小颗粒可能会飞溅出来，并随着落在火卫一上。
”拉奎尔指出，“这意味着探测器采集的样本中可能不仅有火卫一自身的物质，还包含来自火星的颗粒。
这将为研究火星的物质组成和演化历史提供直接证据。
” 将火星物质带回地球，一直是行星科学领域的重要目标。
美国国家航空航天局（NASA）的“毅力号”火星车自2021年以来一直在火星表面开展探测，并将采集到的样本封存在专用容器中。
然而，由于美国会停止拨款，原计划由美国国家航空航天局和欧洲航天局联合实施的火星样本取回任务最终被取消。
与此同时，中国也正计划开展火星采样返回任务，航天器预计于2028年发射，力争在2031年将火星样本带回地球。
事实上，地球上已经存在一些来自火星的物质，它们以火星陨石的形式留存下来。
这些陨石原本属于火星，在小行星等天体撞击火星时被抛射到太空，随后飞向地球。
不过，火星陨石十分稀少，而且一旦抵达地球，就会受到地球环境的污染，与空气、尘埃、土壤和水发生接触。
因此科学家非常希望能获取到直接从火星及其卫星表面采集的样本，因为这些样本可以最大限度地保留其原始状态。
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