2024年5月太阳超强风暴期间火星电离层的响应

当遥远的太阳风暴震动了火星的天空

2024年5月，太阳上一场巨大的风暴不仅在地球上空描绘出罕见的极光，也冲击了火星。本研究展示了那次太阳能量爆发如何剧烈重塑红色星球周围的带电上层大气——即电离层。通过近实时地用绕飞器观测这一事件，科学家记录到火星某一关键电离层出现有史以来最强的增强，揭示了太阳风暴如何影响没有全球磁场保护的行星的新细节。

通过火星大气“听”它的反应

为了观察火星电离层的反应，研究人员使用了一种称为相互无线电掩星的技术，其中一颗航天器向另一颗航天器发射稳定的无线电信号穿过行星大气。当信号掠过火星天际时，根据所穿过的带电粒子数量信号会发生折射和延迟。通过精确测量这些细微变化，科学家可以重建电子密度的垂直剖面——本质上是从约80公里到几百公里的电离层测声图。自2020年以来，火星快车和外层轨道器踪迹气体探测器任务大约每周进行一次此类测量，持续构建跨季节和太阳活动条件下火星电离层行为的基线图像。

超强风暴来袭

2024年5月初，太阳释放出一系列强烈爆发：强烈耀斑、高速粒子暴以及被称为日冕物质抛射的大规模等离子体云。这些事件在地球上引发了数十年来最强的地磁风暴，并在短时间后扰动了火星的空间环境。5月15日，在X级太阳耀斑的辐射抵达火星仅十分钟之后，两颗欧洲航天器在西西菲平原南部执行了一次预定的无线电掩星观测。如此幸运的时机提供了风暴辐射达到峰值时火星电离层的快照，使团队能够将该“风暴剖面”与在相似光照条件下采集的数十次早期平静观测进行比较。

隐藏层的破纪录增强

最显著的变化出现在火星两层主要电离层中较低的一层，称为M1层，位于约90–110公里高度。在风暴期间，该层的峰值电子密度膨胀到约正常值的2.8倍——为有记录以来的最大增强——同时峰高上升了大约6.5公里。位于约150公里的上层M2仅增长了约45%，并同样上移了类似的高度。美国宇航局MAVEN探测器的软X射线测量显示，入射的X射线能量增加了约三倍，远低于早期理论预测需要产生如此强烈M1响应的数值。这种不匹配表明，早期模型低估了太阳高能光触发“二次”电离的效率，在这种过程中，高能电子引发了额外的碰撞和电离级联，使稀薄的火星大气中产生更多电离。

加热、高空波动与未改变之处

除了增强的M1层之外，风暴还留下了其他痕迹。M1和M2的峰值都上移，暗示下方中性大气的加热与膨胀——很可能是此前日冕物质抛射及相关粒子扰动在一天多时间里摇动火星的滞后效应。在约245公里高度还出现了较小但明显的增强，作者认为这可能与太阳风掠过火星上层大气时产生的不稳定性有关，或与沿被扭曲磁力线向外流动的离子流有关。与此同时，有些方面出人意料地保持稳定：M2层的上部并未遭受强烈压缩，约100公里以下的低层中性大气未见重大结构性变化，且M1与M2峰之间的总体间距几乎未变。

这对未来火星任务意味着什么

对于普通读者，关键结论是火星上层大气对太阳风暴的敏感性比先前认为的要高，尤其是其低层电离层。一次太阳X射线爆发可以迅速放大该区域，不仅通过直接电离，也通过二次碰撞链条，并能加热并膨胀周围的大气。理解这些效应对于规划未来的机器人和载人任务至关重要：无线电通信、导航信号，甚至航天器的大气阻力在此类风暴期间都可能发生变化。该研究表明，通过定期、高精度监测，我们能在事件发生时捕捉到这些罕见现象，并改进模型，从而更好地理解太阳如何塑造类地行星的环境——今天的火星，以及未来的其他世界。

引用: Parrott, J., Sánchez-Cano, B., Svedhem, H. et al. Martian ionospheric response during the may 2024 solar superstorm. Nat Commun 17, 2017 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69468-z

关键词: 火星电离层, 太阳风暴, 太阳耀斑, 空间天气, 无线电掩星法