火星磁鞘區(qū)反射拾起氧離子事件分析

常克文, 郭建鵬*, 何林峽, 林海博, 雷桓, 陳艷, 孔令高

1 北京師范大學天文與天體物理前沿科學研究所, 北京 1022062 北京師范大學天文系行星與空間物理研究團組, 北京 1008753 南京大學(蘇州校區(qū)) 深空探測科學與技術研究院, 江蘇蘇州 2151634 中國科學院國家空間科學中心, 北京 100190

0 引言

火星引力場大約只有地球的2/5,并且火星弓激波的空間尺度小,距離火星近,因此火星的氫(H)、氧(O)逃逸層可以延伸至弓激波外.O逃逸層達到1～2個火星半徑;H的相對原子質(zhì)量較O更小,H逃逸層可至十幾個火星半徑.水手6號(Mariner-6)和水手7號(Mariner-7)衛(wèi)星上的紫外光譜儀在Lyman-α波段(121.6 nm附近)的觀測結果,首次證實了火星周圍存在延展的氫逃逸層(“氫冕”; Anderson and Hord, 1971;Anderson, 1974;Chaufray et al., 2008).逃逸層中的中性原子可以直接和太陽風相互作用,通過光致電離、電荷交換和電子碰撞形成新生離子,隨即被太陽風拾起,稱為“拾起”離子.拾起離子在洛倫茲力作用下圍繞行星際磁場做回旋運動,同時受太陽風對流電場加速,運動軌跡呈現(xiàn)擺線.拾起離子是火星大氣逃逸的一個重要通道.火星向陽側產(chǎn)生的拾起O+,由于其回旋半徑大于火星半徑,故會在太陽風對流電場作用下加速逃離火星.Jakosky等(2018)根據(jù)火星大氣和揮發(fā)物演化任務(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, MAVEN)最新觀測結果得到,當前拾起O+的損失率為5×1024s-1,約占總逃逸的8%左右.

火星弓激波上游的拾起離子在朝向火星運動過程中,可能在弓激波處被反射.Ip等(1992)使用Phobos-2攜帶的ASPERA質(zhì)譜儀的數(shù)據(jù),分析了火星附近的拾起H+的密度分布,并結合太陽風速度的變化,認為被弓激波反射后的拾起H+會導致太陽風減速.隨后,Dubinin等(2006)利用MEX(Mars Express)衛(wèi)星,在火星弓激波上游觀測到拾起H+和能量大于10 keV的反射H+,他們認為當拾起H+以較小法向速度入射到弓激波時,被弓激波的靜電勢反射回到太陽風中.而Yamauchi等(2011)認為靠近火星弓激波的拾起H+可以進行多重加速,多重加速的離子速度與被弓激波多次反射后的速度一致,進而推測拾起H+是發(fā)生了多次鏡面反射后逃離弓激波.

O+的相對原子質(zhì)量比H+大,回旋半徑可達數(shù)個火星半徑,可以克服靜電勢穿越火星弓激波.Yamauchi等(2015)分析MEX數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)火星弓激波上游存在O+束(>1 keV),且O+的能量隨距離弓激波高度的增加而增大,他們認為O+被磁鞘和太陽風的對流電場加速,其能量隨高度的增加而增大,逃離火星.隨后,基于MAVEN探測器數(shù)據(jù),Masunaga等(2016)在火星磁鞘中觀測到部分環(huán)狀分布的O+,同時在弓激波上游觀測到更高能的反射O+束(>10 keV),他們推斷弓激波上游的拾起O+進入磁鞘后,在強磁場區(qū)域發(fā)生反射,在磁鞘電磁場的作用下,繞新的引導中心運動,被對流電場加速返回到上游太陽風中.但該觀測只在短時間內(nèi)(128 s)在火星磁鞘中看到反射O+,難以判定發(fā)生反射的位置.隨后,Masunaga等(2017)對O+的反射率進行估算,發(fā)現(xiàn)拾起O+在火星弓激波下游被反射的反射比約為14.1%±6.7%,極端太陽風條件下反射比增加到38.9%±10.2%.

關于火星拾起O+反射現(xiàn)象的解釋,存在兩種觀點.一種觀點認為,高能O+束可能是朝向火星方向沉降的太陽風拾起O+與逃逸層中O+碰撞產(chǎn)生的.在不顯著改變沉降離子總能量的情況下,碰撞可以使其速度方向發(fā)生偏轉,故沉降的O+可能回旋到太陽風中.理論計算上,沉降的太陽風拾起O+在火星逃逸面(～200 km)之上發(fā)生碰撞的概率很小,故而產(chǎn)生的反射O+相空間密度應小于沉降O+密度(Yagi et al., 2012).但觀測顯示反射O+和沉降O+密度相當(Masunaga et al., 2016).另一種觀點認為,能量較高的太陽風沉降O+和火星逃逸層中性粒子之間先發(fā)生電荷交換(Chen et al., 2001),成為高能中性原子后,再次被光致電離或者與激波下游的熱電子發(fā)生電子碰撞后被電離(Crider et al., 2000),兩次電離過程就可能使得高能拾起O+做回旋運動返回到太陽風中.這種情況下發(fā)生碰撞的平均自由程(≈1800RM,RM為火星半徑)遠大于火星磁鞘的厚度(～1RM),電荷交換過程可以忽略,通過這種機制產(chǎn)生的反射O+難以被觀測到(昋若寓等, 2022),所以目前O+反射機制尚不明確.

相較于缺少磁力計的MEX,MAVEN攜帶高精度的磁場和離子探測儀,有助于我們進一步認識火星空間拾起離子的動力學過程.若反射O+持續(xù)進入探測器,將為我們追蹤反射發(fā)生的空間位置提供重要機遇.為此,我們分析2014—2021期間的 MAVEN觀測數(shù)據(jù),找到了一例這樣的觀測事件.具體而言,在2016年9月25日04∶18∶30—04∶24∶54 UT期間,MAVEN運行在-E半球(電流電場E指向火星)的磁鞘區(qū),軌道高度逐漸降低,持續(xù)觀測到背離火星運動的O+(103～104eV)束流,即正在反射的拾起O+.本文將對該事件中反射O+束的來源進行分析,并就拾起O+可能發(fā)生反射的位置提出一種合理的推斷.

1 MAVEN儀器數(shù)據(jù)

MAVEN衛(wèi)星在2013年11月成功發(fā)射,并于2014年9月進入火星軌道.MAVEN衛(wèi)星為橢圓軌道,近火點約150 km,遠火點約6400 km,軌道周期為4.5 h,軌道覆蓋面較廣,故可以對太陽風和火星磁鞘進行全面采樣.在本文工作中,我們使用了超熱和熱離子成分分析儀(Supra thermal and Thermal Ion Composition, STATIC;McFadden et al., 2015)、磁力計(Magnetometer, MAG;Connerney et al., 2015)、太陽風離子分析儀(Solar Wind Ion Analyzer, SWIA;Halekas et al., 2015)、太陽風電子分析儀(Solar Wind Electron Analyzer, SWEA;Mitchell et al., 2016)四個儀器的原始數(shù)據(jù).

STATIC采用超環(huán)面靜電分析器,可以測量不同能量和角度分布中的離子組成.探測視場為360°×90°,角分辨率為22.5°×22.5°,探測能量范圍為0.1 eV～30 keV,能量分辨率為15%.STATIC 具有不同類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)品:“d0”數(shù)據(jù)的時間分辨率為 32 s或128 s,含有32個能量段和8個質(zhì)量段;“c6”數(shù)據(jù)的時間分辨率為4 s,有32個能量段和64個質(zhì)量段.在本項工作中,“d0”數(shù)據(jù)用于繪制拾起O+的速度分布函數(shù)(Velocity Distribution Functions,VDFs)圖以及O+能譜圖,而“c6”數(shù)據(jù)主要給出了質(zhì)量通量圖,可以幫助我們識別火星感應磁層邊界的位置,這是由于MAVEN進入感應磁層后,源自火星電離層的行星重離子通量升高.

MAG由兩個獨立的三軸磁通門磁力計傳感器組成,用于測量在火星-太陽-軌道(Mars-Sun-Orbital, MSO)坐標系下的磁場三分量,測量范圍在0.1～60000 nT,分辨率高達0.008 nT.MAG可以幫助識別MAVEN穿越弓激波和感應磁層邊界的時刻.

SWIA采用帶靜電偏轉板的超環(huán)面靜電分析器,用于測量太陽風和磁鞘離子(主要是質(zhì)子)的數(shù)據(jù),幫助研究太陽風與火星高層大氣的相互作用.SWIA的時間分辨率為4 s,視場為360°×90°,角分辨率為22.5°×22.5°,能量范圍為25 eV～25 keV.在本文中,我們使用SWIA的“onboardsvymom”和“onboardsvyspec”數(shù)據(jù),在磁鞘中太陽風離子通量會顯著增強,幫助我們識別MAVEN經(jīng)過火星弓激波的時間.

SWEA采用帶靜電偏轉板的半球形靜電分析器,用于測量5 eV～4.6 keV的電子能量和角度分布.SWEA的能量分辨率為17%,在1.6 keV能量處,探測視場為360°×120°,角度分辨率是22.5°×20°,另外,需要注意的是,SWEA部分視場會被衛(wèi)星本體遮擋.

為了研究拾起離子的運動狀態(tài)隨時間和方位的變化,我們引入了VDF.假設入射微分粒子通量在儀器中的能量響應和角響應內(nèi)是均勻的,采樣時間τ(s)內(nèi)檢測粒子數(shù)為C(vpqr),則

(1)

(2)

其中數(shù)值系數(shù)為(1×10-4)由m2到cm2變化而來,由(1)和(2)式可得速度分布函數(shù)

(3)

再結合MAVEN觀測數(shù)據(jù),STATIC-“d0”提供了32個能量段、4個仰俯角、16個方位角的計數(shù),計算可得所有角度的離子相空間密度,進而投影至垂直于磁場方向繪制出VDF圖,VDF圖中縱軸代表電場方向速度,橫軸代表垂直于磁場和電場方向的速度.

2 結果

圖1展示了2016年9月25日03∶50—04∶40 UT期間MAVEN的觀測數(shù)據(jù).圖中紅色豎直虛線(04∶05∶30 UT)標識出MAVEN穿越火星弓激波的時刻,MAVEN從火星弓激波上游穿越至下游,觀測到磁場強度突然增強,如圖1h磁場強度從5 nT增加到40 nT,且有劇烈擾動,太陽風速度減慢(圖1i),離子能譜(圖1a)和電子能譜(圖1b)顯著變寬,STATIC所有質(zhì)量能譜(圖1c)也顯著增寬,如圖1藍色豎直虛線(04∶29 UT)標識出火星感應磁層邊界.在感應磁層邊界,可以看到主要離子組份從太陽風質(zhì)子(圖1e中的1 amu)轉變?yōu)樾行侵仉x子(O+和O2+對應圖1e中的16 amu和32 amu;Brain et al., 2010),并且磁場強度擾動變小,磁場增強(Nagy et al.,2004; Franco et al.,2022).MAVEN衛(wèi)星進入感應磁層后,由于主要粒子成分發(fā)生改變,這時計算的電場存在誤差,但不影響對本文事件的研究.

圖1 MAVEN在2016年9月25日03∶50—04∶40 UT的觀測結果,包含火星磁鞘內(nèi)氧離子(O+)反射事件從上至下依次為:(a)SWIA離子能譜、(b)SWEA電子能譜、(c)STATIC離子能譜、(d)STATIC中相對原子質(zhì)量為12～20的離子能譜、(e)STATIC質(zhì)譜、(f)—(g)STATIC中A3D1和A2D0方向的O+能譜、(h)—(j)MSO坐標系下的磁場、太陽風速度、對流電場、(k)MAVEN衛(wèi)星高度和(l)MAVEN衛(wèi)星與火星之間的角度(即衛(wèi)星的太陽天頂角). 紅色和藍色豎虛線分別表示弓激波位置和感應磁層邊界,MAVEN在太陽風、磁鞘和磁層的探測時間段分別用粉色、青色和紫色條帶表示.

通過識別出弓激波和感應磁層邊界,我們確定了磁鞘的位置.與太陽風中相比,磁鞘中離子能譜增寬,超熱電子顯著,由于磁場的壓縮導致對流電場的增強(Fang et al., 2008).在磁鞘中,04∶18∶30—04∶24∶54 UT期間STATIC儀器可以持續(xù)觀測到反射拾起O+事件,圖1f和圖1g選取了STATIC中兩個方向,我們發(fā)現(xiàn)在A2D0這個探測方向出現(xiàn)能量高于Emax(理論上拾起O+被對流電場加速可獲得的最大能量;白色實線),白色箭頭所指的拾起O+,我們認為這部分是磁鞘中反射的拾起O+.

通過分析此期間MAVEN在MSO坐標系下的運行軌道,可以確定反射O+事件發(fā)生的空間區(qū)域.從圖2a可以看到反射事件發(fā)生在感應磁層邊界的上方.圖2c和2d顯示MAVEN的空間位置位于火星日側南半球下方,且其運行軌道朝向火星感應磁層內(nèi)部移動.從圖1-l可知衛(wèi)星的太陽天頂角大概位于60°左右.

圖2 MAVEN衛(wèi)星在2016年9月25日00∶07∶24—04∶40∶48 UT的運行軌道圖,以火星半徑(RM)為單位此軌道#3874依次在(a)柱坐標系平面、(c)YMSO-ZMSO平面和(d)XMSO-ZMSO平面的投影圖,分別用粉色、青色和紫色條帶表示其在太陽風、磁鞘和磁層的探測時間段. 紅色虛線和藍色虛線分別表示弓激波和感應磁層邊界,紅色正方形和三角形分別表示磁鞘內(nèi)出現(xiàn)高能O+反射的開始和結束時刻.

圖3(a—d)顯示此期間局地對流電場、磁場以及速度的方向,局地對流電場指向火星(-E半球).為了詳細研究O+的反射,圖3(e—h)是選取了04∶18∶30—04∶24∶54 UT期間的四個時間段內(nèi)的VDF.從VDF中我們能看到兩個離子群.第一個離子群是出現(xiàn)在紅色環(huán)上的新生拾起離子,這部分離子的相空間密度高(10-12s3·m-6)、能量較低,主要源自觀測點附近局地新生的拾起離子.第二個離子群是沿著反向火星和局地對流電場運動的O+束,可判斷為在磁鞘中發(fā)生反射的拾起O+,這部分反射O+的能量范圍較大.能量范圍1～10 keV的反射拾起O+的相空間密度較高(10-13s3·m-6);能量大于10 keV的反射拾起O+的相空間密度較低(10-14s3·m-6).此外,在圖3g中還出現(xiàn)一個朝向火星運動的高能低相空間密度的離子束,可判斷為從太陽風向火星沉降的O+束.

圖3 2016年9月25日04∶18∶30—04∶24∶54 UT期間,STATIC觀測得到的O+速度分布函數(shù)圖(VDFs)以及此時MAVEN在MSO坐標系中的位置(a)—(d)紅線和藍線分別表示在XMSO-ZMSO平面內(nèi)弓激波和感應磁層邊界的投影,該位置上的綠色、橘色和紫色線分別表示電場、質(zhì)子流速度和磁場的方向.(e)—(h)投影在垂直于局地磁場的平面上的O+ VDF圖,VE表示沿電場方向速度,VE×B表示垂直于磁場和電場方向速度,灰色圓從內(nèi)到外分別對應100 eV、1 keV和10 keV,紅色虛線圓表示局地產(chǎn)生的拾起O+的環(huán)分布,由垂直于局地磁場的速度計算,空白部分為超出儀器視場.

根據(jù)STATIC的64個探測方向的O+能譜(圖4),我們找出與VDF中反射拾起O+對應的離子群,即A2D0、A2D1中出現(xiàn)的能量高于Emax的離子,對應VDF中低相空間密度高能的反射O+;A4D1、A4D0、A3D1出現(xiàn)的離子可能對應VDF中較高相空間密度低能的反射O+.

3 討論

基于MAVEN探測器數(shù)據(jù),Masunaga等(2016)在磁鞘中觀測到O+呈部分環(huán)狀分布,并且在火星弓激波上游觀測到高能O+束,他們給出解釋認為太陽風中的O+注入磁鞘后,在磁鞘電磁場作用下,繞新的引導中心回旋,呈部分環(huán)狀分布,其中一部分O+被反射回到弓激波上游形成高能O+束,并被對流電場加速,逃離火星.然而需要注意的是,他們的觀測只在短時間內(nèi)看到了反射O+,故不能明確拾起O+在火星磁鞘內(nèi)發(fā)生反射的空間位置.本文中的事件則在火星磁鞘中持續(xù)觀測到能量超過Emax的反射O+束,對研究火星拾起O+的反射提供了新的觀測證據(jù).

對于拾起O+可能發(fā)生反射的空間位置,我們做如下討論:在04∶18∶30—04∶24∶54 UT期間,MAVEN衛(wèi)星位于-E半球,反射O+束的運動方向幾乎與對流電場方向相反,所以該O+束不會是受對流電場加速形成.從軌道運行圖看,MAVEN衛(wèi)星的太陽天頂角位于60°左右,排除了該O+是沿著磁尾逃逸的情況.Masunaga等(2016)的觀點認為拾起O+可能是在磁鞘強磁場區(qū)域發(fā)生反射,但他們并未看到反射的具體位置.在本事件時間段中,MAVEN朝向火星感應磁層邊界運行,且從04∶19 UT開始,磁場強度逐漸增強超過20 nT,磁場y分量的方向發(fā)生了改變,并持續(xù)觀測到反射O+束,由此我們推斷拾起O+是在火星感應磁層邊界上方強磁場區(qū)域發(fā)生了反射.

4 結論

基于MAVEN觀測,我們分析了一例在火星磁鞘中持續(xù)觀測到的反射O+事件,進而推斷了拾起O+發(fā)生反射的可能位置.反射拾起O+大致可分為兩部分:一部分源自上游太陽風拾起的O+,具有一定的初速度,注入磁鞘后被反射,對應于低相空間密度和較高能量的部分;另一部分源自火星磁鞘中局地新生的拾起O+,反射后形成高相空間密度和較低能量的部分.我們推斷拾起O+發(fā)生反射的位置在感應磁層邊界附近的強磁場區(qū)域.本文的觀測事件補充了拾起O+在火星磁鞘中反射的觀測證據(jù),給出了拾起O+可能的反射位置,相關的反射機制還有待進一步深入研究.未來,結合中國的“天問一號”對火星空間的探測,將有助于揭示火星空間拾起離子動力學過程及其物理機制.

致謝本工作使用的MAVEN 數(shù)據(jù)由美國宇航局(https:∥pds-ppi.igpp.ucla.edu/)提供.