金星和火星环形磁场的形成机制

Venus and Mars lack the Earth-like dipolar magnetic field. The interactions of Venus and Mars with the solar wind are different from Earth, which may be the cause of massive loss of water (ions), and therefore different geologies and climates with Venus and Mars from Earth. However, the knowledge of the space physical processes of Venus and Mars, especially the mechanisms of global magnetic field and ion escape, is still insufficient. In our previous study [Chai et al., 2016, JGR], we found a global looping magnetic field around the Venusian magnetotail, which gives a new clue for the investigation of the space physics of Venus and Mars. In particularly, the agreement in the ion escape rates estimated from the looping magnetic field and direct plasma observations suggests that the looping magnetic field is related to the ion escape process. This project will use the satellite observation data (MAVEN, VEX and PVO) and a three-dimensional global hybrid code, to find out the control factors of looping field from the solar wind and ionospheric parameters, and disclose the forming mechanism of the looping magnetic field on Venus and Mars. Then, the relationship of the looping field with the ion escape rate and mechanism will be studied by simulating the ion escape process on Venus and Mars. Finally, we will try to apply the results on the evolution of planetary space-interior system.

金星和火星都没有像地球那样的偶极磁场，它们与太阳风的作用方式与地球不同。这可能是造成金星和火星大量水（离子）逃逸、并最终导致它们气候地质条件与地球截然不同的原因。然而，人们对金星和火星的空间物理过程，特别是大尺度磁场结构和离子逃逸机制都缺乏认识。申请人前期研究[Chai et al.,2016,JGR]发现金星上存在一个环绕整个磁尾的巨大环形磁场。该全球性环形磁场的发现为研究金星和火星空间物理过程提供了新线索，特别是环形磁场估算的离子逃逸率与离子观测估算的一致，该结果显示环形磁场的形成很可能与离子逃逸有关。本项目拟结合多颗卫星长期观测(MAVEN, VEX, PVO)与全球性混杂模拟，研究外界太阳风和内部电离层对环形磁场的控制作用，揭示金星和火星环形磁场的形成机制。然后通过模拟金星和火星离子逃逸过程，确定环形磁场与逃逸率、逃逸机制的关系。最后尝试将结果应用于研究行星空间-内部系统的演化。

金星和火星都没有像地球那样的偶极磁场，它们与太阳风的作用方式与地球截然不同。地球空间主要由来自行星内部的偶极磁场控制，而金星和火星的空间主要由拖拽在星球周围的行星际磁场控制。申请人前期研究发现金星上存在一个环绕整个磁尾的巨大环形磁场。本项目主要计划通过对比研究火星和金星空间环境，揭示环形磁场的形成机制，并研究它们与离子逃逸的关系。按照计划，本项目利用美国最新发射的火星探测器MAVEN和金星快车VEX的观测数据，对火星和金星周围的大尺度磁场结构进行了研究。取得的主要成果为（1）通过对比MAVEN和VEX的磁场观测数据，发现火星上也存在和金星一样的全球性环形磁场结构，且火星的环形磁场比金星的强；（2）结合MAVEN的等离子体数据，揭示了环形磁场的形成机制，即：由于行星氧离子的有限回旋半径效应和动量守恒造成行星氧离子向正电场(+Esw)方向运动，而太阳风等离子体和冻结在内的磁力线绕开磁尾向-Esw方向运动，最终造成拖拽磁力线变成螺旋状并形成环形磁场结构。考虑到火星重力比金星小，火星上被太阳风Esw加速逃逸的离子多，火星的环形磁场应该比金星强，这与观测符合的很好；（3）结合环形磁场的发现，首次给出了火星空间三维的磁场结构和等离子体流束流；（4）指出环形磁场的电流有利于增强逃逸离子和沉降电子的通量，这为研究火星和金星的水逃逸和夜侧电离层产生提供了新的研究思路。在本项目的资助下，已在本领域国际期刊发表了3篇第一/通讯作者国际SCI论文。本项目的研究成果增进了我们对火星空间环境大尺度磁场结构的认识，加强了我们对行星空间磁层结构影响行星大气和水圈的推测，也为我国“天问一号”火星探测器的空间探测和科学研究打下了基础，做好了准备。