太陽風來自哪裡

劉迪等-APJ：火星上游太陽風的分佈和變化

行星空間環境發生的各種物理過程，其能量來源主要來自外部太陽。除太陽輻射外，太陽還會以“太陽風”的形式不斷地向外噴射出速度高達400 km/s左右的高速等離子體流（主要由質子、電子和少量α粒子組成），“凍結”著太陽風磁場傳輸到行星際空間中，並與行星發生相互作用（圖1）。太陽風的產生主要是由於日冕底層熱等離子體與行星際空間介質之間的巨大壓力差驅動造成的，太陽風是驅動整個行星際空間，包括各個行星的空間等離子體環境的重要源泉。雖然目前人類已對深空及行星探測廣泛發射了各類探測器，但除了地球外，人類還沒有對其它行星上游的太陽風進行過持續的長時間觀測。

圖1 太陽風等離子體流（短實線）及磁場（白線）與火星相互作用示意圖（Credit: NASA/GSFC）

2013年美國MAVEN火星探測飛船的發射為研究這個問題帶來了重要契機。MAVEN飛船同時搭載了高效能的磁強計和等離子體分析儀，可準確地探測火星上游太陽風的磁場、等離子體密度、速度、動壓等物理引數。自2014年9月MAVEN入軌以來，MAVEN對火星上游太陽風至今已持續累計了近6年的太陽風觀測資料。因此有必要利用MAVEN資料對火星上游太陽風的物理引數及其隨太陽活動性的變化特徵作系統分析。

中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室的博士研究生劉迪及導師戎昭金研究員、魏勇研究員等，利用美國MAVEN火星探測器2014-2020年期間的高精度離子和磁場觀測資料，首次對火星上游太陽風的密度、速度和動壓及行星際磁場的強度、錐角、時鐘角等物理引數展開了全面的統計分析研究，並結合地球1AU（AU為日地距離單位，約1。5億公里）處的OMNI太陽風資料集，研究了在1-1。7 AU範圍內，太陽風等離子體引數和行星際磁場隨日心距離及太陽活動性的變化分佈（圖2）。

圖2 在不同太陽活動條件下，行星際磁場強度、太陽風離子密度、速度、動壓隨日心距離的變化

研究結果顯示，相比地球而言，火星處太陽風離子密度更低（1。4 cm-3）、動壓更低（0。4 nPa），行星際磁場強度更低（1。9 nT），而太陽風流速則與地球處類似，保持在370 km/s左右。活動高年，太陽風的磁場和動壓都要比活動低年時期強。研究還發現對於太陽風磁場向內的扇區較向外的扇區而言，太陽風際磁場更接近徑向（行星-太陽連線方向），這尤其在高年表現的尤為明顯。

本項研究系首次對火星上游（1。4-1。7 AU）太陽風物理引數的統計，拓展了人們對1 AU之外太陽風分佈和變化的認識，也為後續太陽風-火星相互作用研究及我國的火星探測計劃提供了重要的空間環境參考。

研究成果發表於空間物理學領域知名學術期刊The Astrophysical Journal（劉迪， 戎昭金*， 高維佳， Jiansen He， Lucy Klinger， Malcolm Wray Dunlop，閆麗梅， 範開， 魏勇。 Statistical properties of solar wind upstreamof Mars： MAVEN observations ［J］。 The Astrophysical Journal， 2021， 911（2）。 DOI：10。3847/1538-4357/abed50）。本研究得到國家自然科學基金專案（41922031， 41774188和42074207）、中科院A類先導專項專案（鴻鵠專項，XDA17010201）和中科院地質與地球物理研究所重點部署專案（IGGCAS-201904）的資助。

校對：張 崧

王海波