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地质地球所研究揭示火星上游太阳风的分布和变化

  

  行星空间环境发生的各种物理过程,其能量来源主要来自外部太阳。除太阳辐射外,太阳还会以太阳风的形式不断地向外喷射出速度高达400 km/s左右的高速等离子体流(主要由质子、电子和少量α粒子组成),冻结着太阳风磁场传输到行星际空间中,并与行星发生相互作用(图1)。太阳风的产生主要是由于日冕底层热等离子体与行星际空间介质之间的巨大压力差驱动造成的,太阳风是驱动整个行星际空间,包括各个行星的空间等离子体环境的重要源泉。虽然目前人类已对深空及行星探测广泛发射了各类探测器,但除了地球外,人类还没有对其它行星上游的太阳风进行过持续的长时间观测。 

1 太阳风等离子体流(短实线)及磁场(白线)与火星相互作用示意图(Credit: NASA/GSFC

  2013年美国MAVEN火星探测飞船的发射为研究这个问题带来了重要契机。MAVEN飞船同时搭载了高性能的磁强计和等离子体分析仪,可准确地探测火星上游太阳风的磁场、等离子体密度、速度、动压等物理参数。自20149MAVEN入轨以来,MAVEN对火星上游太阳风至今已持续累计了近6年的太阳风观测数据。因此有必要利用MAVEN数据对火星上游太阳风的物理参数及其随太阳活动性的变化特征作系统分析。 

  中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室的博士研究生刘迪及导师戎昭金研究员、魏勇研究员等,利用美国MAVEN火星探测器2014-2020年期间的高精度离子和磁场观测数据,首次对火星上游太阳风的密度、速度和动压及行星际磁场的强度、锥角、时钟角等物理参数展开了全面的统计分析研究,并结合地球1AUAU为日地距离单位,约1.5亿公里)处的OMNI太阳风数据集,研究了在1-1.7 AU范围内,太阳风等离子体参数和行星际磁场随日心距离及太阳活动性的变化分布(图2)。 

2 在不同太阳活动条件下,行星际磁场强度、太阳风离子密度、速度、动压随日心距离的变化

  研究结果显示,相比地球而言,火星处太阳风离子密度更低(1.4 cm-3)、动压更低(0.4 nPa),行星际磁场强度更低(1.9 nT),而太阳风流速则与地球处类似,保持在370 km/s左右。活动高年,太阳风的磁场和动压都要比活动低年时期强。研究还发现对于太阳风磁场向内的扇区较向外的扇区而言,太阳风际磁场更接近径向(行星-太阳连线方向),这尤其在高年表现的尤为明显。 

  本项研究系首次对火星上游(1.4-1.7 AU)太阳风物理参数的统计,拓展了人们对1 AU之外太阳风分布和变化的认识,也为后续太阳风-火星相互作用研究及我国的火星探测计划提供了重要的空间环境参考。 

  研究成果发表于空间物理学领域知名学术期刊The Astrophysical Journal(刘迪, 戎昭金*高维佳, Jiansen He, Lucy Klinger, Malcolm Wray Dunlop, 闫丽梅范开, 魏勇. Statistical properties of solar wind upstream of Mars: MAVEN observations [J]. The Astrophysical Journal, 2021, 911(2). DOI: 10.3847/1538-4357/abed50)。本研究得到国家自然科学基金项目(41922031, 4177418842074207)、中科院A类先导专项项目(鸿鹄专项,XDA17010201)和中科院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201904)的资助。 

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