新研究揭示火星上游太陽風的分布和變化

　　行星空間環境發生的各種物理過程的能量來源主要來自外部太陽。除太陽輻射外，太陽還會以“太陽風”的形式不斷地向外噴射出速度高達400 km/s左右的高速等離子體流（主要由質子、電子和少量α粒子組成），“凍結”著太陽風磁場傳輸到行星際空間中，并與行星發生相互作用（圖1）。太陽風的產生主要由日冕底層熱等離子體與行星際空間介質之間的巨大壓力差驅動造成，太陽風是驅動整個行星際空間（包括各個行星的空間等離子體環境）的重要源泉。雖然目前人類已對深空及行星探測廣泛發射了各類探測器，但除了地球外，人類還未對其他行星上游的太陽風進行過持續的長時間觀測。

　　2013年，美國MAVEN火星探測飛船的發射為研究上述問題帶來了契機。MAVEN飛船同時搭載了高性能的磁強計和等離子體分析儀，可準確探測火星上游太陽風的磁場、等離子體密度、速度、動壓等物理參數。自2014年9月MAVEN入軌以來，MAVEN對火星上游太陽風至今已持續累計了近6年的太陽風觀測數據。因此，有必要利用MAVEN數據對火星上游太陽風的物理參數及其隨太陽活動性的變化特征進行系統分析。

　　中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士研究生劉迪及導師、研究員戎昭金和研究員魏勇等人，利用美國MAVEN火星探測器在2014至2020年期間的高精度離子和磁場觀測數據，首次對火星上游太陽風的密度、速度和動壓及行星際磁場的強度、錐角、時鐘角等物理參數展開了統計分析研究，并結合地球1AU（AU為日地距離單位，約1.5億公里）處的OMNI太陽風數據集，研究了在1-1.7 AU范圍內，太陽風等離子體參數和行星際磁場隨日心距離及太陽活動性的變化分布（圖2）。

　　研究顯示，相比于地球，火星處太陽風離子密度更低（1.4 cm-3）、動壓更低（0.4 nPa）、行星際磁場強度更低（1.9 nT），太陽風流速則與地球處類似，保持在370 km/s左右。活動高年，太陽風的磁場和動壓均比活動低年時期強。此外，研究還發現，對太陽風磁場向內的扇區較向外的扇區而言，太陽風際磁場更接近徑向（行星-太陽連線方向），這特別是在高年表現得尤為明顯。

　　該研究系首次對火星上游（1.4-1.7 AU）太陽風物理參數的統計，拓展了學界對1 AU之外太陽風分布和變化的認識，也為后續太陽風-火星相互作用研究及我國的火星探測計劃提供了重要的空間環境參考。相關研究成果以Statistical properties of solar wind upstream of Mars: MAVEN observations為題，發表在The Astrophysical Journal上。研究工作得到國家自然科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項（A類）、地質地球所重點部署項目的資助。

圖1.太陽風等離子體流（短實線）及磁場（白線）與火星相互作用示意圖（Credit: NASA/GSFC）

圖2.在不同太陽活動條件下，行星際磁場強度、太陽風離子密度、速度、動壓隨日心距離的變化