张驰等-APJL:火星等离子体云逃逸

张驰等-APJL:火星等离子体云逃逸

火星大气逃逸是火星探测的核心科学问题。研究火星大气逃逸有助于我们深入理解火星全球气候环境的演变过程。研究表明,太阳风是驱动火星大气粒子逃逸的最有效驱动源。这是因为火星没有全球磁场,太阳风可直接与火星电离层或大气离子发生相互作用,并通过电磁力不断剥蚀、加速大气离子逃逸到行星际空间中。

早期观测表明,太阳风与火星电离层相互作用可驱动或剥离大团的火星电离层离子(如O+,O₂+), 形成“等离子体云”爆发式、整体式地逃逸掉(如图1)。然而受制于飞船的观测高度和仪器探测性能,多年来人们对于“等离子体云”,尤其是低高度的“等离子体云”的形成与演化机理还知之甚少。

张驰等-APJL:火星等离子体云逃逸

图1 火星等离子体云示意图

为此, 利用美国MAVEN火星探测器搭载的多种高性能科学探测仪器的数据观测,中国科学院地质与地球物理研究所博士生张驰与导师戎昭金研究员、魏勇研究员和瑞典空间物理研究所、德国马普太阳系研究所、美国加州大学伯克利分校等多家国际科研机构共同合作,首次发现并报道了火星低高度(600km)范围内观测到的周期性等离子体云结构(如图2所示)。

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图2 MAVEN观测的周期性等离子体云。从上至下,分别为O+能谱、O₂+能谱、磁场、速度及飞船高度的时序变化图

不同于以往的研究,该周期性低高度的“等离子体云”结构显示出一系列新的观测特征:离子能谱呈现出色散特征(能量高的离子可较早被观测到),不同火星离子成分具有大致相同的速度,且等离子体云的出现会伴随着总磁场增加,以及强的太阳风电子沉降特征。分析结果表明这些等离子体云是起源于低高度电离层区域( 120 km高度),沿着开放磁力线尾向逃逸。且估算表明,在该事件中“等离子体云”可显著提高火星大气离子的逃逸率。这表明“等离子体云”是火星大气离子逃逸的一种主要方式。

根据这些观测特征,如图3所示,他们提出“等离子体云”的可能形成机制应为:周期性的太阳风压缩火星磁层,诱发太阳风磁场与火星壳磁场之间发生周期性地磁场重联,磁场重联产生了开放磁力线以及沉降的太阳风等离子体,沉降的太阳风等离子体会加热低高度电离层等离子体,从而使得这些低高度等离子体周期性地向外逃逸。

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图3 等离子体云的形成机制示意图

该研究首次报道了火星低高度等离子体云结构,并提出了其可能产生的物理机制,对于我们理解火星离子逃逸以及太阳风与火星相互作用具有重要的科学意义,也为后续分析我国“天问一号”火星探测数据提供了重要的指导方向。

研究成果发表于国际学术期刊APJL(张驰, 戎昭金*, Nilsson H, et al. MAVEN Observations of Periodic Low-altitude Plasma Clouds at Mars. The Astrophysical Journal Letters,2021, 922: L33. DOI: 10.3847/2041-8213/ac3a7d)。本研究得到国家自然科学基金(41922031,41774188)、中科院A类先导专项(鸿鹄专项,XDA17010201)、中国科学院地质与地球物理研究所重要研究课题(IGGCAS-201904, IGGCAS-202102)、以及国家留学基金委(202104910297)等项目的资助。

张驰等-APJL:火星等离子体云逃逸

校对:王海波

美编:陈菲菲

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投稿时间:2022-02-12  最后更新:2022-05-26

标签:火星   等离子体   电离层   太阳风   周期性   相互作用   磁场   离子   大气   高度

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