相比地球，火星全球磁場非常微弱，其誘導(dǎo)磁層的空間尺度更小，中性逃逸層的密度更大且延伸至弓激波之外。這使得太陽風(fēng)可以與火星磁鞘中的中性成份直接相互作用，并通過電荷交換產(chǎn)生豐富的“拾起離子”。在這個過程中，拾起離子被太陽風(fēng)對流電場加速，在等離子體靜止參考系下的速度空間內(nèi)形成環(huán)-束狀粒子分布（ring-beam distribution）。通常來說，環(huán)-束狀粒子速度分布是非常不穩(wěn)定的，可以激發(fā)一系列電磁波動，如質(zhì)子回旋波等。因此，火星磁鞘為我們研究強(qiáng)擾動、小時空、豐富自由能系統(tǒng)下的磁場湍流特性提供了很好的天然實驗室。

　　近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實驗室王赤院士團(tuán)隊的李暉研究員與蔣文策博士生等合作者一起，基于MAVEN衛(wèi)星在火星磁鞘的4年數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了火星磁鞘磁場擾動功率譜指數(shù)從流體力學(xué)尺度到亞離子尺度的統(tǒng)計特征，發(fā)現(xiàn)：1）火星磁鞘中普遍存在一種獨(dú)特的“平臺狀”冪律譜，在0.001-5 Hz的頻率區(qū)間內(nèi)發(fā)生了兩次“偏折”并呈現(xiàn)出三段不同的冪律，這與地球磁鞘常見的Kolmogorov -5/3慣性譜以及地球/土星磁鞘中存在的-1冪律譜有著顯著的差別；2）拾起H⁺離子激發(fā)的質(zhì)子回旋波可產(chǎn)生較為寬頻的磁場擾動，可能是形成磁場“平臺狀”冪律譜的原因之一，且統(tǒng)計分析表明“平臺狀”冪律譜的發(fā)生率與拾起離子相關(guān)的局地物理參數(shù)，如：拾起角（衡量環(huán)-束狀粒子分布特征的參數(shù)）、局地離子beta值以及季節(jié)性的太陽極紫外輻射強(qiáng)度存在明顯的相關(guān)性；3）“平臺狀”冪律譜的兩個“拐點(diǎn)”頻率與離子beta值存在正相關(guān)關(guān)系。

　　該項研究揭示了火星磁鞘磁場湍流獨(dú)特的“平臺狀” 三段式冪律譜特征，并對其物理機(jī)制給出了一系列間接的統(tǒng)計觀測證據(jù)，提供了理解拾起離子對湍流演化發(fā)展影響的新視角。本論文發(fā)表在在本領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)期刊上JGR: Space Physics上。

圖1. 2016年6月4日火星磁鞘穿越事件的磁場擾動功率譜

圖2. “平臺狀”功率譜的發(fā)生率與拾起角、局地離子β值以及太陽極紫外輻照度的關(guān)系，以及歸一化拐折頻率與局地離子β的關(guān)系

　　Citation：Jiang, W., Li, H.*, Liu, X., Verscharen, D., & Wang, C. (2023). Statistical properties of plateau-like turbulence spectra in the Martian magnetosheath: MAVEN observations. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 128, e2022JA030874. 

　　鏈接： https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JA030874

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