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---   中国科大建成火星电离层等离子体地面实验装置

摘要：中科院比较行星学卓越创新中心和类地行星先导专项骨干成员雷久侯教授和刘宇特任教授团队，聚焦火星电离层和太阳风相互作用研究，自主设计建设了火星电离层环境地面模拟装置。装置综合考虑太阳风、火星电离层以及岩石磁场等要素，针对性设计了多种等离子体源、磁场和诊断方式，从而满足火星电离层及其与太阳风相互作用研究需求。预期该装置将结合天问一号等观测，揭示太阳风和火星电离层相互作用过程和机理。

行星宜居性演化过程是行星科学研究的长期热点，这其中火星宜居性演化过程尤其令人着迷。现今的火星是一个寒冷的沙漠星球，不适宜生命的生存和繁衍。尽管如此，它却是太阳系中与地球最为相似的天体：大量证据都表明火星可能曾经有过类似地球的宜居环境。因此，开展火星宜居性研究对地球宜居性研究有重要启示。

 

图1. 现在的火星是不是未来的地球？（艺术图）

火星的空间环境和太阳风相互作用对于离子逃逸和宜居性演化至关重要。由于火星缺乏类似地球的内禀磁场，导致其电离层和高层大气环境直接受到太阳风的侵蚀。这种太阳风直接和火星大气层相互作用，会导致离子逃逸，从而影响火星的宜居性环境。为了探索火星的空间环境演化过程，过去几十年，美国、欧洲和俄罗斯等国家和地球已经发射了多个人造探测器开展火星空间环境探测。随着我国综合国力提升，火星探测也不断取得突破，天问一号一次任务创新实现对火星进行“绕落巡”探测（图2）。这些探测器提供了丰富的数据，为认知火星空间环境提供了丰富的资料。然而，由于火星空间环境问题涉及多尺度、多要素和多过程，仅仅依赖观测，目前的卫星数量和观测能力还远远不足以全面解决这一复杂问题。

 

图2. 我国天问一号探测器

为了破解火星电离层和太阳风相互作用难题，结合我国火星探测计划，中国科学技术大学雷久侯教授、刘宇特任教授团队建设了火星空间环境模拟装置。综合考虑火星电离层和太阳风不同的等离子体速度、密度差异巨大等特征，针对性发展了考夫曼源、六硼化镧源等多种等离子体源技术，满足了不同特征等离子体的模拟。同时，虽然火星没有全局性磁场，岩石磁场仍然会对火星电离层及其与太阳风相互作用产生影响。因此，团队还针对性设计了可以在复杂真空热环境中稳定工作的可旋转磁体，从而模拟岩石磁场对火星电离层的影响。

 

图3火星空间环境模拟装置

为了验证装置性能，团队开展了火星电离层和太阳风相互作用区域物理过程研究。通过双等离子体源同时放电，模拟太阳风高速等离子体与低速火星电离层等离子体。主动调节等离子体放电参数，探究太阳风和火星电离层相互作用过程。进一步，改变磁体的强度和位形，揭示火星岩石磁场对太阳风和火星电离层相互作用过程的影响。利用地面实验装置，成功模拟复现了相互作用过程中边界层的存在（图4）。结果显示，闭合磁场可以显著提高边界层高度，而开放磁场可以降低边界层高度。实验装置对火星边界层的模拟也为后续对火星空间环境的研究打下了基础。基于实验装置，结合国内外各类探测任务，有望深入地理解太阳风和火星电离层相互作用过程和机理，服务国家深空探测战略。

 

图4. 模拟火星边界层实验装置照片

 

相关成果以Design and construction of a ground-based plasma device for Martian boundary layer investigation发表在真空设备领域旗舰期刊《Vacuum》上，第一作者为博士生金融，通讯作者为刘宇特任教授和雷久侯教授。研究工作获得了中国科学院B类战略先导项目“类地行星的形成演化及其宜居性（XDB41000000）和自然基金委基础科学中心（42188101）等项目资助。