由于火星全球性的磁場(chǎng)非常微弱，太陽(yáng)風(fēng)可以與火星大氣直接相互作用，并在這個(gè)過(guò)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(yáng)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(guò)與太陽(yáng)風(fēng)等離子體進(jìn)行電荷交換產(chǎn)生“拾起離子”H+和O+。在這個(gè)過(guò)程中，離子被太陽(yáng)風(fēng)對(duì)流電場(chǎng)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(chǎng)波動(dòng)。同時(shí)，火星微弱的內(nèi)稟磁場(chǎng)也導(dǎo)致了其弓激波下游磁鞘的空間尺度遠(yuǎn)小于地球。不同于在地球磁鞘常看到的柯?tīng)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(tái)狀”湍流功率譜現(xiàn)象。最新的統(tǒng)計(jì)分析還表明了“平臺(tái)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(tái)譜”現(xiàn)象的物理機(jī)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(wèn)一號(hào)觀測(cè)數(shù)據(jù)，獨(dú)特的火星空間環(huán)境為我們進(jìn)一步理解行星磁鞘區(qū)湍流特性提供了絕佳的機(jī)會(huì)。

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士團(tuán)隊(duì)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(kāi)展了針對(duì)拾起離子不穩(wěn)定性的個(gè)例和統(tǒng)計(jì)研究。該工作詳細(xì)分析了一段典型的火星磁鞘“平臺(tái)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(duì)“平臺(tái)譜”的譜指數(shù)有著顯著的調(diào)制作用。通過(guò)進(jìn)一步詳細(xì)分析該時(shí)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(shí)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(jìn)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(tái)譜”中“平臺(tái)”區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)能量增加的主要機(jī)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(guò)進(jìn)一步對(duì)2015-2019年的MAVEN觀測(cè)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖4）進(jìn)一步證實(shí)了研究提出的可能物理機(jī)制，即當(dāng)具有較重質(zhì)量的拾起O+密度更高時(shí)，拾起H+導(dǎo)致的質(zhì)子回旋波不穩(wěn)定性受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致了磁場(chǎng)擾動(dòng)能量的下降和磁場(chǎng)功率譜指數(shù)的變化。

該項(xiàng)研究揭示了火星磁鞘區(qū)磁場(chǎng)擾動(dòng)獨(dú)特的“平臺(tái)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(duì)其中物理機(jī)制給出了可能的物理機(jī)制解釋。本論文發(fā)表在在本領(lǐng)域國(guó)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(cè)數(shù)據(jù)。（a）MSO坐標(biāo)下的磁場(chǎng)。（b）SWIA的離子數(shù)密度。（c） 離子的速度（MSO坐標(biāo)）。（d）波的法向角θkB。（e） 橢度。（f） 磁場(chǎng)的PSD補(bǔ)償譜圖。（g）磁場(chǎng)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(gè)時(shí)段內(nèi)SWIA觀測(cè)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(cè)到的磁場(chǎng)垂直方向上的擾動(dòng)時(shí)間序列。（e）和（f）磁場(chǎng)擾動(dòng)在MVA坐標(biāo)系平面內(nèi)的示意圖。

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

圖4，（a）MAVEN觀測(cè)到的典型“平臺(tái)譜”的磁場(chǎng)垂直擾動(dòng)功率和拾起氧離子與拾起質(zhì)子的密度比的統(tǒng)計(jì)分布。（b）典型“平臺(tái)譜”的譜指數(shù)與磁場(chǎng)垂直擾動(dòng)功率的統(tǒng)計(jì)分布。（c）2015-2019年MAVEN觀測(cè)的“平臺(tái)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(jì)分布。

（供稿：天氣室）