太阳风与火星相互作用的全球动力学磁流体数值模拟

The magnetic field structure and plasma feature during the process of the solar wind interaction with Mars are of importance. Albeit many studies from numerical simulation and spacecraft data analysis, the influences of plasma ingredients, ion kinetic features and crustal magnetic field on the interaction are still open questions. In fact, the ion kinetic effects, such as Hall and finite Larmor radius (FLR) effects play an important role on the plasma characteristics, magnetic field structure in the process of the solar wind interaction with Mars. The purpose of the proposal is to develop a global extended MHD code to simulate the solar wind interaction with Mars, with consideration of Hall and FLR effects. In conjunction with spacecraft data analysis, the influence of plasma ingredients, ion kinetic effects and the crustal magnetic field on the interaction will be numerically studied in the order of ion kinetic scale. This research will help to understand the process of the solar wind interaction with Mars, and the evolution of the Marian atmosphere as well.

太阳风与火星相互作用过程中等离子体运动和磁场结构起着重要作用。然而受限于观测数据以及数值模拟方法的欠缺，目前对相互作用过程中离子成分、离子动力学过程、地壳磁场等尚不完全清楚。而且，包括 Hall效应和有限Larmor半径（FLR）效应在内的离子动力学效应对火星空间环境中等离子体运动、磁场结构和磁异常等有重要影响。本项目拟采用包括Hall效应和FLR效应的离子动力学全球MHD模型，通过数值模拟研究火星全球空间环境中等离子体运动和磁场特性；通过与观测结果比较，研究离子动力学尺度下离子成分、离子动力学效应和地壳磁场对火星空间环境的影响；并分析离子逃逸的机制及其在太阳风火星相互作用过程中所起的作用。本项目的研究将加深人们对火星全球空间等离子体环境的结构和动力学特性的理解，有助于我们更好地了解火星大气环境演化的过程，为我国未来开展火星探测打下科学基础。

太阳风与火星相互作用过程中等离子体运动和磁场结构起着重要作用。然而受限于观测数据以及数值模拟方法的欠缺，目前对相互作用过程中离子成分、离子动力学过程、地壳磁场等尚不完全清楚。本项研究通过加入火星电离层重要离子组分的化学反应构建了多组分单流体火星全球数值模拟模型，对不同组分的质量密度方程采用解耦方法求解，对单流体磁流体方程组采用了一般曲线坐标下系的Harten-Yee TVD格式进行求解。太阳风行星际磁场（IMF）帕克螺旋角与时钟角对火星感应磁层结构的影响研究表明，当IMF的方向从准平行于太阳风流向到沿着正Y轴变化时，日下点连线的激波位置从1.39 RM 外移到1.70 RM。随着帕克螺旋角从10°增大到90°，感应磁尾半径增大，晨昏面上激波也越来越远离火星。对于IMF沿着正Y轴的情况，当IMF的x方向磁场为负时，PRL和IPRL被移动到Y<0的晨侧扇区，在尾部区域形成不对称磁场拓扑结构。火星剩磁分布有重要影响，本项研究试图孤立出组成剩磁分布的单个偶极场的影响特征。结果表明在全球偶极场的影响下，火星磁尾区域的感应磁场显著变强，而且偶极场使得磁尾yz截面上电流片发生不同程度的S型扭转。当南半球局地偶极场位于不同的方位时，火星感应磁尾始终大体保持S型结构，不同的是磁尾扭转角度呈现出了一定程度的变化。行星离子的分布以及逃逸通量量会随着剩磁影响的全球电磁以及等离子体环境的变化而变化。当局地偶极场位于火星南半球正午侧位置时，电离层的离子可以到达更高的高度。在O+2、O+以及CO+2离子对应着同一密度值为1 cm^(-3)时，局地偶极场使得离子分布的高度提高了200 ~ 400 km。在局地偶极场影响下，火星南半球暴露在太阳风中的电离层横截面面积增大，与此同时O+2和CO+2离子通量提高了1 ~ 2个量级。