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实验室科研人员揭示火星磁鞘镜模结构的特性

2022年06月07日 星期二 13:13:47

镜模波是温度各向异性、β值较高的等离子体中镜像模不稳定性发展形成的一种波,其基本特征是磁场与等离子体密度的波动反相关。在行星磁鞘内,随着太阳风压缩,各向异性增强,常常出现镜模结构。根据地球磁鞘中的大量观测结构,镜模波一般形成于弓激波处,由太阳风携带向磁鞘下游对流,随着环境参数的变化,磁场波动的形态由形成初期的“波”,增长饱和成“峰”,衰退演变为“谷”。

实验室研究人员对MAVEN探测器2014~2018年在火星磁鞘内观测的镜模波事件进行了统计研究,发现绝大部分事件都发生在弓激波附近(图1),波、峰、谷三种形态各占47%、40%和13%。弓激波附近的磁鞘内,温度各项异性和等离子体β值都较高,镜模波形成后在很短时间内即可达到饱和,并维持饱和状态(图2)。与此同时,研究发现,磁鞘总体上处于镜像模不稳定状态,与地球磁鞘内的准稳定状态存在较大差别(图3)。利用MHD模型进行流线追踪,发现~80%的镜模结构的演化时间短于10s,由于处于弓激波附近温度各项异性、高beta的环境中,这部分镜模结构一直处于非线性饱和状态;其余20%的事件,则和地球磁鞘内的镜模结构类似,形态随环境参数的变化而变化。然而,由于向阳面大部分区域处于镜模不稳定状态,镜模结构无法演化进入衰退阶段。这意味着火星向阳面磁鞘内的波粒相互作用可能不足以消耗太阳风与火星相互作用产生的自由能。

该项研究由实验室李磊研究员课题组完成。

Citation: Jin Taifeng, Li Lei*, Zhang Yiteng, Xie Lianghai and Qiao Fuhao et al. (2022). "Statistical Analysis of the Distribution and Evolution of Mirror Structures in the Martian Magnetosheath." The Astrophysical Journal 929(2): 165.

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac5f00



图1 火星磁鞘内的镜模结构分布(红蓝曲线分别代表磁层顶和弓激波波的平均位置)

图2 镜模波幅值随演化时间的变化,大量事件处于饱和状态(红线),少量事件处于不稳定性线性增长阶段(黑线)

图3 磁鞘内的温度各向异性和等离子体,火星观测值(蓝点)及拟合曲线(绿线),地球拟合曲线(红线),镜模不稳定性阈值(黑线)。

 

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