金星和火星前兆激波特征研究

As a result of interactions between solar wind and a planet, planetary foreshock is characterized by various wave activities and particle populations, which is very interesting and important in the study of particle-wave interactions and the generation of energetic particles. Due to the lack of an intrinsic planetary magnetic field at Venus or Mars, the neutral particles are easily leaked from the ionosphere and then ionized. The Venusian and Martian foreshocks are complex and different from that at the Earth. Much of our understanding of foreshock phenomena has been derived from the large number of in-situ observations made of the Earth foreshock/bow shock system. Based on the measurements form Venus Express and MAVEN, this program will be conducted to make a systematic study on the Venusian and Martian foreshock. The propagation properties of foreshock waves and acceleration mechanism of energetic ions will be analyzed. This research is helpful for our comprehension in the foreshock characteristics at the nonmagnetic planet.

行星前兆激波是太阳风与行星相互作用的直接结果，其表现的主要物理特征是存在着大量的波动现象和粒子行为，对认识波粒相互作用及高能粒子的产生机制有着重要物理意义。在无內禀磁场的金星和火星上，由于缺少磁场的保护，其大气层或电离层的粒子更容易逃逸到激波上游形成新生离子，因此其前兆激波的粒子环境和波粒相互作用过程更复杂。由于对前兆激波认识的局限性，之前的观测研究主要集中在地球上，而对无內禀磁场行星前兆激波的物理特征认识不够；鉴于Venus Express和MAVEN卫星已经积累了足够的观测资料，本项目拟对金星和火星前兆激波特征进行系统全面的研究，分析前兆激波中波动的激发和传播特征；研究金星和火星前兆激波中波动对高能离子的加速规律；统计分析不同太阳风条件下，金星和火星前兆激波物理特征。这一研究能帮助我们更加全面的理解无內禀磁场行星前兆激波的物理特性。

金星和火星都没有全球性内禀磁场，其与太阳风相互作用必然与地球不太相同。通过研究火星前兆激波区域中扰动磁场，发现存在超低频（0.04Hz，低于局地质子回旋频率~0.088 Hz）的大幅值（峰-峰波幅~8nT）波动。波动呈现快磁声模特征。相对于背景磁场以小角度传播（传播角~34º），在卫星坐标系下呈现左手椭圆极化，考虑到多普勒效应，在太阳风静止坐标系下应为右手极化。通过估算波动相速度约为126km/s，波长为~3.8Rm。一系列的特征表明，无内禀磁场的火星具有明显的前兆激波特征区域。. 通过研究金星前兆激波超低频波动边界，发现在小的行星际磁场倾角情况下，波动可以出现在更远更深的前兆激波区域中。而对应大的行星际磁场倾角情况下，波动出现在更近更浅的前兆激波区域中。通过对不同行星际磁场条件下超低频波动边界的确定，发现当行星际磁场角度变大时，超低频波动边界拟合的斜率变小。通过这些分析，我们认为这些前兆激波中的超低频波动是由准绝热激波反射的太阳风离子形成的场向束流与太阳风离子相互作用，激发的束流不稳定性所产生的。. 通过周期性快磁声激波特征分析和演化过程研究，结果显示这种周期性激波是由火星空间中逃逸的中性粒子电离后与太阳风相互作用激发的快磁声波演化而来。这种快磁声波动的激发条件要求太阳风中的行星际磁场IMF具有小的倾角，并且环境中有新生离子产生，新生离子与太阳风束流通过右手共振束流不稳定性激发快磁声波动，波动在被高速太阳风拖拽靠近火星时与激波回流离子（或者新生离子）发生作用导致波阵面非线性变化，进而形成周期性激波结构。这种结构通过在波前产生色散的whistler和减速并加热太阳风离子而维持稳定。此外，周期性激波可以反射和散射部分离子并且进行多次加速作用。研究推测，这种激波形成新机制和过程在宇宙空间应该广泛存在。.