空间中心科研人员揭示火星磁鞘区拾起离子不稳定性对“平台状”磁场湍流谱的调制机制

由于火星全球性的磁场非常微弱，太阳风可以与火星大气直接相互作用，并在这个过程中与其中性逃逸层物质作用形成了丰富的“拾起离子”。除太阳极紫外辐射光致电离以外，从火星大气逃逸的中性成分，主要通过与太阳风等离子体进行电荷交换产生“拾起离子”H+和O+。在这个过程中，离子被太阳风对流电场加速，在等离子体静止参考系下速度空间内形成环-束状粒子分布（ring-beam distribution）。由于显著偏离麦克斯韦分布，环-束流速度分布函数是非常不稳定的，可以激发如质子回旋波之类的一系列的电磁场波动。同时，火星微弱的内禀磁场也导致了其弓激波下游磁鞘的空间尺度远小于地球。不同于在地球磁鞘常看到的柯尔莫哥洛夫（Kolmogorov）幂律谱的“惯性区”湍流，火星磁鞘区普遍存在着一种“平台状”湍流功率谱现象。最新的统计分析还表明了“平台谱”现象与拾起离子参数存在密切联系，然而拾起离子如何调制“平台谱”现象的物理机制仍不明确。利用最新的火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）和天问一号观测数据，独特的火星空间环境为我们进一步理解行星磁鞘区湍流特性提供了绝佳的机会。

近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤院士团队的李晖研究员与蒋文策博士后等合作者一起，基于MAVEN卫星提供的高分辨率离子分布函数开展了针对拾起离子不稳定性的个例和统计研究。该工作详细分析了一段典型的火星磁鞘“平台谱”事例（图1），发现了火星空间环境中的拾起氧离子（O+）性质对“平台谱”的谱指数有着显著的调制作用。通过进一步详细分析该时段内的拾起离子在速度空间的性质，研究发现了两种拾起离子（H+和O+）的同时存在并在速度空间内呈现出完全不同的环-束流形态特征（ 图2）。进一步结合PIC模拟的分析（图3）表明，背景的质子回旋波可能是导致“平台谱”中“平台”区域内磁场能量增加的主要机制，并由不稳定的拾起质子（H+）激发产生的。由于背景拾起氧离子的不均匀空间分布，拾起H+激发的质子回旋波性质受到了拾起氧离子（O+）丰度的调制作用。通过进一步对2015-2019年的MAVEN观测分析，统计结果（图4）进一步证实了研究提出的可能物理机制，即当具有较重质量的拾起O+密度更高时，拾起H+导致的质子回旋波不稳定性受到抑制，进而导致了磁场扰动能量的下降和磁场功率谱指数的变化。

该项研究揭示了火星磁鞘区磁场扰动独特的“平台状”幂律谱受背景拾起离子参数的调制特征，并结合数值模拟工作对其中物理机制给出了可能的物理机制解释。本论文发表在在本领域国际学术期刊The Astrophysical Journal上。

文章链接： 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

图1，2016年05月09日火星磁鞘穿越事件的MAVEN观测数据。（a）MSO坐标下的磁场。（b）SWIA的离子数密度。（c） 离子的速度（MSO坐标）。（d）波的法向角θkB。（e） 椭度。（f） 磁场的PSD补偿谱图。（g）磁场的PSD、（h）MAVEN卫星的位置示意图。

图2，（a）和（b）事例中氧丰度较高和较低的两个时段内SWIA观测到的离子速度分布函数。虚线半圆表示了估算的H+（红色）的拾起离子最大能量。（c）和（d）观测到的磁场垂直方向上的扰动时间序列。（e）和（f）磁场扰动在MVA坐标系平面内的示意图。

图3，（a）和（b）PIC数值模拟中对应于观测事例中氧丰度较高和较低的两个时段内SWIA观测到的离子速度分布函数。（c）和（d）数值模拟中观测到的氧回旋波频段和质子回旋波频段的磁场垂直扰动时间序列。

图4，（a）MAVEN观测到的典型“平台谱”的磁场垂直扰动功率和拾起氧离子与拾起质子的密度比的统计分布。（b）典型“平台谱”的谱指数与磁场垂直扰动功率的统计分布。（c）2015-2019年MAVEN观测的“平台谱”谱指数与背景拾起氧离子与拾起质子的密度比的统计分布。

（供稿：天气室）