在过去六十年中，火星一直是人类空间探测和研究的重要目标，对火星内部、表面和大气的研究有助于研究类地行星的演化历史，并为研究地球的未来提供参考。火星没有全球性内禀磁场，太阳风可直接与火星电离层相互作用形成诱导磁层。诱导磁层的主要特征为磁场堆积，并形成类似于地球磁层顶的磁堆积边界。研究火星磁场堆积特征以及磁堆积边界结构，不仅有助于理解火星磁层形成原因、认识火星空间环境大尺度结构，也为研究太阳风粒子进入以及火星离子逃逸提供关键边界层信息。此外，研究结果也可为我国“天问一号”轨道器探测方案的制定、探测数据的分析提供科学依据。
由于观测数据有限，目前火星磁场堆积研究还有很多内容尚未完全清楚，比如：磁场堆积区域分布特征，太阳风参数的影响，及其与火星地壳磁场的相互作用等。最近，中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室谢良海副研究员、李磊研究员与南京信息工程大学的王明副教授、吕建永教授合作，利用先进的火星全球磁流体力学模型，通过引入磁场强度差值参数来表示火星空间磁堆积效应，研究了行星际磁场（IMF）和由不同密度和速度构成的太阳风动压（Pd）对磁堆积的影响。发现：火星空间磁堆积主要发生在日侧区域，其强度随着太阳天顶角（SZA）的增加而减少。在强地壳磁场区域磁堆积较弱，而在弱地壳磁场区域则较强。垂直IMF分量By和Bz主导了磁堆积，而径向IMF分量Bx影响很小。在强地壳磁场区域，当IMF和地壳磁场大致在同一方向时，磁场被堆积起来，且强度较强。当地壳磁场和IMF方向相反时，磁重联的发生会削弱当地的磁堆积。该研究打破了人们对磁堆积边界的传统认识，为进一步探究火星磁场堆积的内在机制以及火星诱导磁层的形成原因提供了基础。该项研究成果发表在The Astronomical Journal上。
图1 火星空间磁场堆积特征
另外，基于上述火星磁堆积结果，借助该磁流体模型，王明、谢良海等人还构建了火星磁堆积边界的三维参数化模型，厘清了太阳风动压（Pd）、太阳风密度和速度以及行星际磁场（IMF）强度和方向对火星MPB的影响。该模型是国际上首个能够全面反应太阳风参数影响的三维动态磁堆积边界模型，与先前的经验和理论模型相比，该模型结果显示了较好的一致性和准确性，可为火星探测和研究提供更准确的弓激波位置数据。该项研究成果发表在Astronomy & Astrophysics上。
图2 火星磁场堆积边界三维参数化模型
上述工作得到了空间天气学国家重点实验室开放课题的资助。
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
（供稿：天气室）
