金星等離子體環(huán)境為研究基本等離子體物理過程提供了更好的天然實(shí)驗(yàn)室，比如無碰撞弓激波的形成與變化，因?yàn)榕c地球磁層相比，金星電離層作為太陽風(fēng)遇到的障礙物，其尺度變化較小。

當(dāng)磁聲速太陽風(fēng)被金星電離層阻擋，并隨后減速到亞磁聲速度時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)弓激波。根據(jù)磁流體力學(xué)（MHD）理論，無碰撞弓激波是朝向太陽傳播并停留在太陽風(fēng)中的快磁聲波。因此，弓激波的位置取決于磁聲馬赫數(shù)，即太陽風(fēng)速度和磁聲速的比值。盡管磁聲馬赫數(shù)具有重要意義，但考慮到太陽活動(dòng)和行星際磁場的作用，弓激波的變化則復(fù)雜起來。比如以往觀測顯示，弓激波的位置與太陽活動(dòng)有明顯的相關(guān)性。

為了厘清弓激波的位置變化及其物理機(jī)制，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心特別研究助理徐麒與副研究員謝良海等人，與南京信息工程大學(xué)副教授王明合作，利用磁流體力學(xué)數(shù)值模擬，分析了太陽輻射和太陽風(fēng)條件對(duì)金星弓激波位置的影響。模擬結(jié)果顯示金星的弓激波形狀和位置受太陽輻射通量和太陽風(fēng)磁聲馬赫數(shù)的影響。太陽輻射起作用的物理機(jī)制被解釋為電離層尺度和行星離子質(zhì)量加載效應(yīng)隨輻射強(qiáng)度變化；而太陽風(fēng)磁聲馬赫數(shù)的作用則是與快磁聲波的傳播有關(guān)，顯示出無碰撞弓激波形成的磁流體力學(xué)本質(zhì)特征。該研究發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊The Astronomical Journal。

圖1 金星弓激波位置隨太陽風(fēng)磁聲馬赫數(shù)和太陽風(fēng)磁場變化的磁流體模擬結(jié)果

此外，王明、徐麒等人利用金星快車的觀測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模擬結(jié)果：金星弓激波的空間尺度隨磁聲馬赫數(shù)呈非線性變化，并與太陽輻射通量呈線性相關(guān)，但是除了行星際磁場和激波法線之間的夾角外，弓激波位置與行星際磁場強(qiáng)度、方向以及太陽風(fēng)動(dòng)壓沒有明顯的相關(guān)性?；谝陨辖Y(jié)論，一個(gè)金星弓激波位型隨太陽輻射和太陽風(fēng)磁聲馬赫數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷靡越⒘似饋?，該模型不僅闡明了平靜太陽風(fēng)條件下弓激波的變化行為，還揭示了在磁云撞擊金星期間，在極低的磁聲馬赫數(shù)條件下大幅擴(kuò)展的弓激波位置。該研究發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics。

圖2 金星弓激波位置隨太陽風(fēng)磁聲馬赫數(shù)和太陽輻射強(qiáng)度變化的金星快車觀測結(jié)果

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

Wang, M., Xu, Q.*, Xie, L., Li, L., & Xu, X. (2024). A 3D Parametric Venusian Bow Shock Model with the Effects of Mach Number and Interplanetary Magnetic Field. The Astronomical Journal, 167(2), 81. https://doi.org/10.3847/1538-3881/ad192d

Wang, M., Xu, Q.*, Xie, L., Li, L., Zhang, Y., Lu, J., et al. (2024). The dynamic Venusian bow shock model with the nonlinear effect of magnetosonic Mach number based on Venus Express observations. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2024JA032741. https://doi.org/10.1029/2024JA032741

（供稿：天氣室）