火星磁鞘区反射拾起氧离子事件分析

常克文, 郭建鹏*, 何林峡, 林海博, 雷桓, 陈艳, 孔令高

1 北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所, 北京 1022062 北京师范大学天文系行星与空间物理研究团组, 北京 1008753 南京大学(苏州校区) 深空探测科学与技术研究院, 江苏苏州 2151634 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190

0 引言

火星引力场大约只有地球的2/5,并且火星弓激波的空间尺度小,距离火星近,因此火星的氢(H)、氧(O)逃逸层可以延伸至弓激波外.O逃逸层达到1～2个火星半径;H的相对原子质量较O更小,H逃逸层可至十几个火星半径.水手6号(Mariner-6)和水手7号(Mariner-7)卫星上的紫外光谱仪在Lyman-α波段(121.6 nm附近)的观测结果,首次证实了火星周围存在延展的氢逃逸层(“氢冕”; Anderson and Hord, 1971;Anderson, 1974;Chaufray et al., 2008).逃逸层中的中性原子可以直接和太阳风相互作用,通过光致电离、电荷交换和电子碰撞形成新生离子,随即被太阳风拾起,称为“拾起”离子.拾起离子在洛伦兹力作用下围绕行星际磁场做回旋运动,同时受太阳风对流电场加速,运动轨迹呈现摆线.拾起离子是火星大气逃逸的一个重要通道.火星向阳侧产生的拾起O+,由于其回旋半径大于火星半径,故会在太阳风对流电场作用下加速逃离火星.Jakosky等(2018)根据火星大气和挥发物演化任务(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, MAVEN)最新观测结果得到,当前拾起O+的损失率为5×1024s-1,约占总逃逸的8%左右.

火星弓激波上游的拾起离子在朝向火星运动过程中,可能在弓激波处被反射.Ip等(1992)使用Phobos-2携带的ASPERA质谱仪的数据,分析了火星附近的拾起H+的密度分布,并结合太阳风速度的变化,认为被弓激波反射后的拾起H+会导致太阳风减速.随后,Dubinin等(2006)利用MEX(Mars Express)卫星,在火星弓激波上游观测到拾起H+和能量大于10 keV的反射H+,他们认为当拾起H+以较小法向速度入射到弓激波时,被弓激波的静电势反射回到太阳风中.而Yamauchi等(2011)认为靠近火星弓激波的拾起H+可以进行多重加速,多重加速的离子速度与被弓激波多次反射后的速度一致,进而推测拾起H+是发生了多次镜面反射后逃离弓激波.

O+的相对原子质量比H+大,回旋半径可达数个火星半径,可以克服静电势穿越火星弓激波.Yamauchi等(2015)分析MEX数据时发现火星弓激波上游存在O+束(>1 keV),且O+的能量随距离弓激波高度的增加而增大,他们认为O+被磁鞘和太阳风的对流电场加速,其能量随高度的增加而增大,逃离火星.随后,基于MAVEN探测器数据,Masunaga等(2016)在火星磁鞘中观测到部分环状分布的O+,同时在弓激波上游观测到更高能的反射O+束(>10 keV),他们推断弓激波上游的拾起O+进入磁鞘后,在强磁场区域发生反射,在磁鞘电磁场的作用下,绕新的引导中心运动,被对流电场加速返回到上游太阳风中.但该观测只在短时间内(128 s)在火星磁鞘中看到反射O+,难以判定发生反射的位置.随后,Masunaga等(2017)对O+的反射率进行估算,发现拾起O+在火星弓激波下游被反射的反射比约为14.1%±6.7%,极端太阳风条件下反射比增加到38.9%±10.2%.

关于火星拾起O+反射现象的解释,存在两种观点.一种观点认为,高能O+束可能是朝向火星方向沉降的太阳风拾起O+与逃逸层中O+碰撞产生的.在不显著改变沉降离子总能量的情况下,碰撞可以使其速度方向发生偏转,故沉降的O+可能回旋到太阳风中.理论计算上,沉降的太阳风拾起O+在火星逃逸面(～200 km)之上发生碰撞的概率很小,故而产生的反射O+相空间密度应小于沉降O+密度(Yagi et al., 2012).但观测显示反射O+和沉降O+密度相当(Masunaga et al., 2016).另一种观点认为,能量较高的太阳风沉降O+和火星逃逸层中性粒子之间先发生电荷交换(Chen et al., 2001),成为高能中性原子后,再次被光致电离或者与激波下游的热电子发生电子碰撞后被电离(Crider et al., 2000),两次电离过程就可能使得高能拾起O+做回旋运动返回到太阳风中.这种情况下发生碰撞的平均自由程(≈1800RM,RM为火星半径)远大于火星磁鞘的厚度(～1RM),电荷交换过程可以忽略,通过这种机制产生的反射O+难以被观测到(昋若寓等, 2022),所以目前O+反射机制尚不明确.

相较于缺少磁力计的MEX,MAVEN携带高精度的磁场和离子探测仪,有助于我们进一步认识火星空间拾起离子的动力学过程.若反射O+持续进入探测器,将为我们追踪反射发生的空间位置提供重要机遇.为此,我们分析2014—2021期间的 MAVEN观测数据,找到了一例这样的观测事件.具体而言,在2016年9月25日04∶18∶30—04∶24∶54 UT期间,MAVEN运行在-E半球(电流电场E指向火星)的磁鞘区,轨道高度逐渐降低,持续观测到背离火星运动的O+(103～104eV)束流,即正在反射的拾起O+.本文将对该事件中反射O+束的来源进行分析,并就拾起O+可能发生反射的位置提出一种合理的推断.

1 MAVEN仪器数据

MAVEN卫星在2013年11月成功发射,并于2014年9月进入火星轨道.MAVEN卫星为椭圆轨道,近火点约150 km,远火点约6400 km,轨道周期为4.5 h,轨道覆盖面较广,故可以对太阳风和火星磁鞘进行全面采样.在本文工作中,我们使用了超热和热离子成分分析仪(Supra thermal and Thermal Ion Composition, STATIC;McFadden et al., 2015)、磁力计(Magnetometer, MAG;Connerney et al., 2015)、太阳风离子分析仪(Solar Wind Ion Analyzer, SWIA;Halekas et al., 2015)、太阳风电子分析仪(Solar Wind Electron Analyzer, SWEA;Mitchell et al., 2016)四个仪器的原始数据.

STATIC采用超环面静电分析器,可以测量不同能量和角度分布中的离子组成.探测视场为360°×90°,角分辨率为22.5°×22.5°,探测能量范围为0.1 eV～30 keV,能量分辨率为15%.STATIC 具有不同类型的数据产品:“d0”数据的时间分辨率为 32 s或128 s,含有32个能量段和8个质量段;“c6”数据的时间分辨率为4 s,有32个能量段和64个质量段.在本项工作中,“d0”数据用于绘制拾起O+的速度分布函数(Velocity Distribution Functions,VDFs)图以及O+能谱图,而“c6”数据主要给出了质量通量图,可以帮助我们识别火星感应磁层边界的位置,这是由于MAVEN进入感应磁层后,源自火星电离层的行星重离子通量升高.

MAG由两个独立的三轴磁通门磁力计传感器组成,用于测量在火星-太阳-轨道(Mars-Sun-Orbital, MSO)坐标系下的磁场三分量,测量范围在0.1～60000 nT,分辨率高达0.008 nT.MAG可以帮助识别MAVEN穿越弓激波和感应磁层边界的时刻.

SWIA采用带静电偏转板的超环面静电分析器,用于测量太阳风和磁鞘离子(主要是质子)的数据,帮助研究太阳风与火星高层大气的相互作用.SWIA的时间分辨率为4 s,视场为360°×90°,角分辨率为22.5°×22.5°,能量范围为25 eV～25 keV.在本文中,我们使用SWIA的“onboardsvymom”和“onboardsvyspec”数据,在磁鞘中太阳风离子通量会显著增强,帮助我们识别MAVEN经过火星弓激波的时间.

SWEA采用带静电偏转板的半球形静电分析器,用于测量5 eV～4.6 keV的电子能量和角度分布.SWEA的能量分辨率为17%,在1.6 keV能量处,探测视场为360°×120°,角度分辨率是22.5°×20°,另外,需要注意的是,SWEA部分视场会被卫星本体遮挡.

为了研究拾起离子的运动状态随时间和方位的变化,我们引入了VDF.假设入射微分粒子通量在仪器中的能量响应和角响应内是均匀的,采样时间τ(s)内检测粒子数为C(vpqr),则

(1)

(2)

其中数值系数为(1×10-4)由m2到cm2变化而来,由(1)和(2)式可得速度分布函数

(3)

再结合MAVEN观测数据,STATIC-“d0”提供了32个能量段、4个仰俯角、16个方位角的计数,计算可得所有角度的离子相空间密度,进而投影至垂直于磁场方向绘制出VDF图,VDF图中纵轴代表电场方向速度,横轴代表垂直于磁场和电场方向的速度.

2 结果

图1展示了2016年9月25日03∶50—04∶40 UT期间MAVEN的观测数据.图中红色竖直虚线(04∶05∶30 UT)标识出MAVEN穿越火星弓激波的时刻,MAVEN从火星弓激波上游穿越至下游,观测到磁场强度突然增强,如图1h磁场强度从5 nT增加到40 nT,且有剧烈扰动,太阳风速度减慢(图1i),离子能谱(图1a)和电子能谱(图1b)显著变宽,STATIC所有质量能谱(图1c)也显著增宽,如图1蓝色竖直虚线(04∶29 UT)标识出火星感应磁层边界.在感应磁层边界,可以看到主要离子组份从太阳风质子(图1e中的1 amu)转变为行星重离子(O+和O2+对应图1e中的16 amu和32 amu;Brain et al., 2010),并且磁场强度扰动变小,磁场增强(Nagy et al.,2004; Franco et al.,2022).MAVEN卫星进入感应磁层后,由于主要粒子成分发生改变,这时计算的电场存在误差,但不影响对本文事件的研究.

图1 MAVEN在2016年9月25日03∶50—04∶40 UT的观测结果,包含火星磁鞘内氧离子(O+)反射事件从上至下依次为:(a)SWIA离子能谱、(b)SWEA电子能谱、(c)STATIC离子能谱、(d)STATIC中相对原子质量为12～20的离子能谱、(e)STATIC质谱、(f)—(g)STATIC中A3D1和A2D0方向的O+能谱、(h)—(j)MSO坐标系下的磁场、太阳风速度、对流电场、(k)MAVEN卫星高度和(l)MAVEN卫星与火星之间的角度(即卫星的太阳天顶角). 红色和蓝色竖虚线分别表示弓激波位置和感应磁层边界,MAVEN在太阳风、磁鞘和磁层的探测时间段分别用粉色、青色和紫色条带表示.

通过识别出弓激波和感应磁层边界,我们确定了磁鞘的位置.与太阳风中相比,磁鞘中离子能谱增宽,超热电子显著,由于磁场的压缩导致对流电场的增强(Fang et al., 2008).在磁鞘中,04∶18∶30—04∶24∶54 UT期间STATIC仪器可以持续观测到反射拾起O+事件,图1f和图1g选取了STATIC中两个方向,我们发现在A2D0这个探测方向出现能量高于Emax(理论上拾起O+被对流电场加速可获得的最大能量;白色实线),白色箭头所指的拾起O+,我们认为这部分是磁鞘中反射的拾起O+.

通过分析此期间MAVEN在MSO坐标系下的运行轨道,可以确定反射O+事件发生的空间区域.从图2a可以看到反射事件发生在感应磁层边界的上方.图2c和2d显示MAVEN的空间位置位于火星日侧南半球下方,且其运行轨道朝向火星感应磁层内部移动.从图1-l可知卫星的太阳天顶角大概位于60°左右.

图2 MAVEN卫星在2016年9月25日00∶07∶24—04∶40∶48 UT的运行轨道图,以火星半径(RM)为单位此轨道#3874依次在(a)柱坐标系平面、(c)YMSO-ZMSO平面和(d)XMSO-ZMSO平面的投影图,分别用粉色、青色和紫色条带表示其在太阳风、磁鞘和磁层的探测时间段. 红色虚线和蓝色虚线分别表示弓激波和感应磁层边界,红色正方形和三角形分别表示磁鞘内出现高能O+反射的开始和结束时刻.

图3(a—d)显示此期间局地对流电场、磁场以及速度的方向,局地对流电场指向火星(-E半球).为了详细研究O+的反射,图3(e—h)是选取了04∶18∶30—04∶24∶54 UT期间的四个时间段内的VDF.从VDF中我们能看到两个离子群.第一个离子群是出现在红色环上的新生拾起离子,这部分离子的相空间密度高(10-12s3·m-6)、能量较低,主要源自观测点附近局地新生的拾起离子.第二个离子群是沿着反向火星和局地对流电场运动的O+束,可判断为在磁鞘中发生反射的拾起O+,这部分反射O+的能量范围较大.能量范围1～10 keV的反射拾起O+的相空间密度较高(10-13s3·m-6);能量大于10 keV的反射拾起O+的相空间密度较低(10-14s3·m-6).此外,在图3g中还出现一个朝向火星运动的高能低相空间密度的离子束,可判断为从太阳风向火星沉降的O+束.

图3 2016年9月25日04∶18∶30—04∶24∶54 UT期间,STATIC观测得到的O+速度分布函数图(VDFs)以及此时MAVEN在MSO坐标系中的位置(a)—(d)红线和蓝线分别表示在XMSO-ZMSO平面内弓激波和感应磁层边界的投影,该位置上的绿色、橘色和紫色线分别表示电场、质子流速度和磁场的方向.(e)—(h)投影在垂直于局地磁场的平面上的O+ VDF图,VE表示沿电场方向速度,VE×B表示垂直于磁场和电场方向速度,灰色圆从内到外分别对应100 eV、1 keV和10 keV,红色虚线圆表示局地产生的拾起O+的环分布,由垂直于局地磁场的速度计算,空白部分为超出仪器视场.

根据STATIC的64个探测方向的O+能谱(图4),我们找出与VDF中反射拾起O+对应的离子群,即A2D0、A2D1中出现的能量高于Emax的离子,对应VDF中低相空间密度高能的反射O+;A4D1、A4D0、A3D1出现的离子可能对应VDF中较高相空间密度低能的反射O+.

3 讨论

基于MAVEN探测器数据,Masunaga等(2016)在磁鞘中观测到O+呈部分环状分布,并且在火星弓激波上游观测到高能O+束,他们给出解释认为太阳风中的O+注入磁鞘后,在磁鞘电磁场作用下,绕新的引导中心回旋,呈部分环状分布,其中一部分O+被反射回到弓激波上游形成高能O+束,并被对流电场加速,逃离火星.然而需要注意的是,他们的观测只在短时间内看到了反射O+,故不能明确拾起O+在火星磁鞘内发生反射的空间位置.本文中的事件则在火星磁鞘中持续观测到能量超过Emax的反射O+束,对研究火星拾起O+的反射提供了新的观测证据.

对于拾起O+可能发生反射的空间位置,我们做如下讨论:在04∶18∶30—04∶24∶54 UT期间,MAVEN卫星位于-E半球,反射O+束的运动方向几乎与对流电场方向相反,所以该O+束不会是受对流电场加速形成.从轨道运行图看,MAVEN卫星的太阳天顶角位于60°左右,排除了该O+是沿着磁尾逃逸的情况.Masunaga等(2016)的观点认为拾起O+可能是在磁鞘强磁场区域发生反射,但他们并未看到反射的具体位置.在本事件时间段中,MAVEN朝向火星感应磁层边界运行,且从04∶19 UT开始,磁场强度逐渐增强超过20 nT,磁场y分量的方向发生了改变,并持续观测到反射O+束,由此我们推断拾起O+是在火星感应磁层边界上方强磁场区域发生了反射.

4 结论

基于MAVEN观测,我们分析了一例在火星磁鞘中持续观测到的反射O+事件,进而推断了拾起O+发生反射的可能位置.反射拾起O+大致可分为两部分:一部分源自上游太阳风拾起的O+,具有一定的初速度,注入磁鞘后被反射,对应于低相空间密度和较高能量的部分;另一部分源自火星磁鞘中局地新生的拾起O+,反射后形成高相空间密度和较低能量的部分.我们推断拾起O+发生反射的位置在感应磁层边界附近的强磁场区域.本文的观测事件补充了拾起O+在火星磁鞘中反射的观测证据,给出了拾起O+可能的反射位置,相关的反射机制还有待进一步深入研究.未来,结合中国的“天问一号”对火星空间的探测,将有助于揭示火星空间拾起离子动力学过程及其物理机制.

致谢本工作使用的MAVEN 数据由美国宇航局(https:∥pds-ppi.igpp.ucla.edu/)提供.