由于火星全球性的磁場非常微弱，太陽風(fēng)可以與火星大氣直接相互作用，并在這個過程中與其中性逃逸層物質(zhì)作用形成了豐富的“拾起離子”。除太陽極紫外輻射光致電離以外，從火星大氣逃逸的中性成分，主要通過與太陽風(fēng)等離子體進行電荷交換產(chǎn)生“拾起離子”H+和O+。在這個過程中，離子被太陽風(fēng)對流電場加速，在等離子體靜止參考系下速度空間內(nèi)形成環(huán)-束狀粒子分布（ring-beam distribution）。由于顯著偏離麥克斯韋分布，環(huán)-束流速度分布函數(shù)是非常不穩(wěn)定的，可以激發(fā)如質(zhì)子回旋波之類的一系列的電磁場波動。同時，火星微弱的內(nèi)稟磁場也導(dǎo)致了其弓激波下游磁鞘的空間尺度遠小于地球。不同于在地球磁鞘?？吹降目聽柲缏宸颍↘olmogorov）冪律譜的“慣性區(qū)”湍流，火星磁鞘區(qū)普遍存在著一種“平臺狀”湍流功率譜現(xiàn)象。最新的統(tǒng)計分析還表明了“平臺譜”現(xiàn)象與拾起離子參數(shù)存在密切聯(lián)系，然而拾起離子如何調(diào)制“平臺譜”現(xiàn)象的物理機制仍不明確。利用最新的火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）和天問一號觀測數(shù)據(jù)，獨特的火星空間環(huán)境為我們進一步理解行星磁鞘區(qū)湍流特性提供了絕佳的機會。

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實驗室王赤院士團隊的李暉研究員與蔣文策博士后等合作者一起，基于MAVEN衛(wèi)星提供的高分辨率離子分布函數(shù)開展了針對拾起離子不穩(wěn)定性的個例和統(tǒng)計研究。該工作詳細分析了一段典型的火星磁鞘“平臺譜”事例（圖1），發(fā)現(xiàn)了火星空間環(huán)境中的拾起氧離子（O+）性質(zhì)對“平臺譜”的譜指數(shù)有著顯著的調(diào)制作用。通過進一步詳細分析該時段內(nèi)的拾起離子在速度空間的性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)了兩種拾起離子（H+和O+）的同時存在并在速度空間內(nèi)呈現(xiàn)出完全不同的環(huán)-束流形態(tài)特征（ 圖2）。進一步結(jié)合PIC模擬的分析（圖3）表明，背景的質(zhì)子回旋波可能是導(dǎo)致“平臺譜”中“平臺”區(qū)域內(nèi)磁場能量增加的主要機制，并由不穩(wěn)定的拾起質(zhì)子（H+）激發(fā)產(chǎn)生的。由于背景拾起氧離子的不均勻空間分布，拾起H+激發(fā)的質(zhì)子回旋波性質(zhì)受到了拾起氧離子（O+）豐度的調(diào)制作用。通過進一步對2015-2019年的MAVEN觀測分析，統(tǒng)計結(jié)果（圖4）進一步證實了研究提出的可能物理機制，即當具有較重質(zhì)量的拾起O+密度更高時，拾起H+導(dǎo)致的質(zhì)子回旋波不穩(wěn)定性受到抑制，進而導(dǎo)致了磁場擾動能量的下降和磁場功率譜指數(shù)的變化。

該項研究揭示了火星磁鞘區(qū)磁場擾動獨特的“平臺狀”冪律譜受背景拾起離子參數(shù)的調(diào)制特征，并結(jié)合數(shù)值模擬工作對其中物理機制給出了可能的物理機制解釋。本論文發(fā)表在在本領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)期刊The Astrophysical Journal上。

文章鏈接： Li, H.*, Jiang, W.*, Yang, Z., Liu, X., Verscharen, D., & Wang, C. (2024). Pickup Ion Modulation on Plateau-like Turbulence in the Martian Magnetosheath. The Astrophysical Journal, 967, 76 (2024). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad3d49

圖1，2016年05月09日火星磁鞘穿越事件的MAVEN觀測數(shù)據(jù)。（a）MSO坐標下的磁場。（b）SWIA的離子數(shù)密度。（c） 離子的速度（MSO坐標）。（d）波的法向角θkB。（e） 橢度。（f） 磁場的PSD補償譜圖。（g）磁場的PSD、（h）MAVEN衛(wèi)星的位置示意圖。

圖2，（a）和（b）事例中氧豐度較高和較低的兩個時段內(nèi)SWIA觀測到的離子速度分布函數(shù)。虛線半圓表示了估算的H+（紅色）的拾起離子最大能量。（c）和（d）觀測到的磁場垂直方向上的擾動時間序列。（e）和（f）磁場擾動在MVA坐標系平面內(nèi)的示意圖。

圖3，（a）和（b）PIC數(shù)值模擬中對應(yīng)于觀測事例中氧豐度較高和較低的兩個時段內(nèi)SWIA觀測到的離子速度分布函數(shù)。（c）和（d）數(shù)值模擬中觀測到的氧回旋波頻段和質(zhì)子回旋波頻段的磁場垂直擾動時間序列。

圖4，（a）MAVEN觀測到的典型“平臺譜”的磁場垂直擾動功率和拾起氧離子與拾起質(zhì)子的密度比的統(tǒng)計分布。（b）典型“平臺譜”的譜指數(shù)與磁場垂直擾動功率的統(tǒng)計分布。（c）2015-2019年MAVEN觀測的“平臺譜”譜指數(shù)與背景拾起氧離子與拾起質(zhì)子的密度比的統(tǒng)計分布。

（供稿：天氣室）