水星磁层离子动力学效应的混杂模拟研究

Ion kinetic effects are crucial to the Hermean magnetosphere. The Hermean magnetosphere is the smallest among all planetary magnetospheres of our solar system. It is so small that its scale can be comparable to the ion gyro radius. Broad observations of dawn-dusk asymmetries in particle and field distributions and tremendous dynamic structures have made ion kinetic effects important issues in the Hermean magnetosphere research. However, the limitations in the satellite observations have imposed great restrictions on scientific research. Therefore, this project will employ a global three-dimensional hybrid model together with statistical analyses of satellite observations to study the ion kinetic effects and to disclose the cause of dawn-dusk asymmetries in the Hermean magnetosphere. The control factors and forming mechanism of dawn-dusk asymmetries will be investigated by simulating the Hermean magnetosphere under different setups of the solar wind conditions and the planetary dipole moment. The ion kinetic effects will be studied using particle trace technique in the hybrid simulation. Finally, we will try to apply the results to the research of the weak magnetospheres of Ganymede and asteroids.

离子动力学效应对水星磁层有着至关重要的作用。太阳系行星中，水星的偶极磁层是最小的，小到可与其周围离子的回旋半径相比较。水星上广泛观测到的粒子和磁场的晨昏不对称性，以及大量动态结构，都使离子动力学效应成为了水星空间环境的一个研究热点。然而，由于卫星观测的限制，水星磁场的离子动力学效应也是研究难点。因此，本项目拟结合全球三维混杂模式和观测数据统计分析，来研究水星磁层的离子动力学效应，揭示水星空间晨昏不对称性的起源。本项目计划通过模拟研究太阳风条件和行星偶极矩等参数对水星磁层空间的影响，解析水星晨昏不对称性的控制因素和形成机制；并通过追踪混杂模拟中离子的回旋运动轨迹，研究离子动力学效应对水星磁层的影响。最后，尝试将研究结果应用于木卫三、小行星等的弱偶极磁层空间环境的研究中。

由于水星偶极磁层尺度较小，水星整个磁层尺度可与离子回旋半径相比拟，这使得离子动力学效应对水星磁层有着至关重要的作用。本项目发展了一个水星空间环境三维混杂模式，并利用该模式，结合水星信使号卫星的观测数据，研究了水星磁层的磁场形态和等离子体分布的晨昏不对称性。观测和模拟结果都显示水星磁层中离子的分布呈现明显的晨昏不对称性，该不对称性与水星磁层形态和电流分布的晨昏不对称性位置重合。且该不对称在南向行星际磁场条件下更为明显，我们分析这是由于南向磁场下有更多太阳风离子进入水星磁层，造成更明显的晨昏不对称性。该结果也揭示了水星磁层的晨昏不对称性主要与离子动力学有关。本项目还将结果应用于和火星这种更小尺度磁层和地球这种更大尺度磁层的对比研究中，发现离子动力学对火星这种小磁层的借给影响非常明显。