在過去六十年中，火星一直是人類空間探測和研究的重要目標(biāo)，對火星內(nèi)部、表面和大氣的研究有助于研究類地行星的演化歷史，并為研究地球的未來提供參考?；鹦菦]有全球性內(nèi)稟磁場，太陽風(fēng)可直接與火星電離層相互作用形成誘導(dǎo)磁層。誘導(dǎo)磁層的主要特征為磁場堆積，并形成類似于地球磁層頂?shù)拇哦逊e邊界。研究火星磁場堆積特征以及磁堆積邊界結(jié)構(gòu)，不僅有助于理解火星磁層形成原因、認(rèn)識火星空間環(huán)境大尺度結(jié)構(gòu)，也為研究太陽風(fēng)粒子進(jìn)入以及火星離子逃逸提供關(guān)鍵邊界層信息。此外，研究結(jié)果也可為我國“天問一號”軌道器探測方案的制定、探測數(shù)據(jù)的分析提供科學(xué)依據(jù)。
由于觀測數(shù)據(jù)有限，目前火星磁場堆積研究還有很多內(nèi)容尚未完全清楚，比如：磁場堆積區(qū)域分布特征，太陽風(fēng)參數(shù)的影響，及其與火星地殼磁場的相互作用等。最近，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝良海副研究員、李磊研究員與南京信息工程大學(xué)的王明副教授、呂建永教授合作，利用先進(jìn)的火星全球磁流體力學(xué)模型，通過引入磁場強(qiáng)度差值參數(shù)來表示火星空間磁堆積效應(yīng)，研究了行星際磁場（IMF）和由不同密度和速度構(gòu)成的太陽風(fēng)動(dòng)壓（Pd）對磁堆積的影響。發(fā)現(xiàn)：火星空間磁堆積主要發(fā)生在日側(cè)區(qū)域，其強(qiáng)度隨著太陽天頂角（SZA）的增加而減少。在強(qiáng)地殼磁場區(qū)域磁堆積較弱，而在弱地殼磁場區(qū)域則較強(qiáng)。垂直IMF分量By和Bz主導(dǎo)了磁堆積，而徑向IMF分量Bx影響很小。在強(qiáng)地殼磁場區(qū)域，當(dāng)IMF和地殼磁場大致在同一方向時(shí)，磁場被堆積起來，且強(qiáng)度較強(qiáng)。當(dāng)?shù)貧ご艌龊虸MF方向相反時(shí)，磁重聯(lián)的發(fā)生會削弱當(dāng)?shù)氐拇哦逊e。該研究打破了人們對磁堆積邊界的傳統(tǒng)認(rèn)識，為進(jìn)一步探究火星磁場堆積的內(nèi)在機(jī)制以及火星誘導(dǎo)磁層的形成原因提供了基礎(chǔ)。該項(xiàng)研究成果發(fā)表在The Astronomical Journal上。
圖1 火星空間磁場堆積特征
另外，基于上述火星磁堆積結(jié)果，借助該磁流體模型，王明、謝良海等人還構(gòu)建了火星磁堆積邊界的三維參數(shù)化模型，厘清了太陽風(fēng)動(dòng)壓（Pd）、太陽風(fēng)密度和速度以及行星際磁場（IMF）強(qiáng)度和方向?qū)鹦荕PB的影響。該模型是國際上首個(gè)能夠全面反應(yīng)太陽風(fēng)參數(shù)影響的三維動(dòng)態(tài)磁堆積邊界模型，與先前的經(jīng)驗(yàn)和理論模型相比，該模型結(jié)果顯示了較好的一致性和準(zhǔn)確性，可為火星探測和研究提供更準(zhǔn)確的弓激波位置數(shù)據(jù)。該項(xiàng)研究成果發(fā)表在Astronomy & Astrophysics上。
圖2 火星磁場堆積邊界三維參數(shù)化模型
上述工作得到了空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的資助。
Citation: M Wang, ZJ Guan, L Xie*, JY Lu*, et al. 2023, Three-dimensional MHD Simulations of the Magnetic Pileup at Mars, The Astronomical Journal, 166:179 (8pp), https://doi.org/10.3847/1538-3881/acf56f
Citation: M Wang, HY Sui, JY Lu*, L Xie*, et al. 2022, A 3D parametric Martian magnetic pileup boundary model with the effects of solar wind density, velocity, and IMF, Astronomy & Astrophysics, 664, A74. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142885
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