火星空间环境中磁绳结构的研究

The research on the flux ropes in Mars space environment is an important aspect of solar-Mars interaction, which has great significance for exploring the escaping mechanism of Martian plasma and the comparative study between Earth,Mars and Venus.This project plans to use the MAG/FR data of MGS (Mars Global Surveyor) and the method newly developed by the applicant to study the flux ropes in Martian space environment in detail.The contents contain:1)studying the parameters of flux ropes (axis-orientation,size, core field, magnetic helicity,current density etc.) in different areas, exploring the possible dependence of these parameters on the solar zenith angle,altitude,solar radiation,and solar wind conditions.2) estimating the escaping rate of the Mars ionospheric plasma carried by flux ropes, studying the role of flux ropes played in the escaping process.3)comparing with the studies of flux ropes in Earth and Venus, trying to proposed the mechanism to account for the origin and evolution of flux ropes in different aeras of Mars environment. It is expected that the unambiguous knowledge of flux ropes structure and its role played in the escaping of Mars plasma can be obtained, which would provide important clues for further exploring the dynamic solar wind - Mars interaction, studying the mechanism how Mars particles transport and escape,as well as the comparative studies on the space environment between Earth,Mars and Venus.

研究火星磁绳结构及其动力学行为对于研究太阳风－火星能量耦合过程，研究火星粒子逃逸机理，探索火星全球气候变化，比较研究地球、金星空间等离子体环境都有着重要的科学意义。本项目拟采用MGS卫星的磁场/电子数据及申请人自主发展的磁绳结构分析方法来全面分析火星全球磁绳的结构特征，得到其定量化结构参数（轴向、尺度、核心磁场强度、磁场螺旋度、电流密度等）及其随天顶角、高度、太阳活动变化和太阳风条件等的依赖关系，并探讨不同区域磁绳之间的内在联系；估算不同区域磁绳携带的等离子体逃逸量，研究磁绳在火星等离子体逃逸中所起的作用；对比地球、金星上的磁绳结构，尝试提出火星不同区域磁绳的形成、演化的可能机制。以期对火星全球磁绳的结构分布及其所起的物理作用获得清晰物理认识，为进一步研究太阳风－火星相互作用，研究火星粒子输运、逃逸机理，探索火星全球气候变化，比较研究地球、金星空间等离子体环境等都能提供重要的科学线索。

研究火星磁绳结构及其动力学行为对于研究太阳风－火星能量耦合过程，研究火星粒子逃逸机理，探索火星全球气候变化，比较研究地球、金星空间等离子体环境都有着重要的科学意义。 在本课题的资助下，对比水星、金星、地球的磁场空间环境，我们利用MGS卫星和MAVEN卫星的数据研究了火星的空间磁绳结构，尤其是对磁异常区的磁通量绳结构作了细致分析。得到了一些重要的科学结论。.其中在火星空间磁场环境方面，我们利用火星快车数据，分析了火星电离层边界层结构，发现火星光电子边界层普遍要比火星电离层顶要高；我们对比MGS卫星的磁场探测。在MAVEN探测的较低高度上，发现火星的岩石剩余磁场分布存在更高精度的精细分布特征。并通过对比白天和晚上岩石剩余磁场的分布，发现剩余磁场区域在正对太阳时候有明显的等离子体抗磁电流、场向电流，以及大尺度的经向电流。并进一步发现火星南、北半球电离层中的磁绳起源机制不同。南半球的磁绳由外部太阳风磁场与局地岩石剩余磁场重联产生，可携带火星大气离子逃逸。而北半球中的磁绳则由电离层中内部产生的，并不能携带显著的火星大气离子。.在行星比较研究方面，对比研究行星的空间磁场结构对于理解火星磁绳j结构的物理行为也是有益的。我们利用信使号的数据统计分析了水星磁尾磁场的三维结构特征，确定了磁尾电流片的厚度，电流密度，电流片内边界位置，发现了水星磁尾大小存在南北拉升现象，磁尾电流片中磁场结构存在晨昏不对称现象。我们利用金星快车的磁场数据，首次重构出金星近磁尾磁场的三维磁场结构特征，发现金星磁尾存在显著不对称性。定量估算发现，北半球电流片较厚，等离子体逃逸通量较大，粒子尾向逃逸加速明显。而且发现与传统观点不同，太阳风磁场平行分量并不显著影响金星磁尾磁场的结构位形。发现行星际磁场局地切向分量能有效控制金星弓激波的结构。首次发展了诊断磁尾电流片拍动的单点数据分析方法。利用发展的单点拍动诊断方法，及金星快车的磁场数据，首次揭示了金星磁尾电流片的拍动运动特征。利用多卫星联合观测，首次发现外部太阳风磁场渗透进入地球磁尾存在着1~1.5小时的时延。这对当前磁尾动力学过程及磁尾磁绳的形成机制提供了重要的观测证据。利用Cluster多点观测及分析方法研究了地球磁尾磁绳结构的精细特征，发现在磁绳中心附近磁场结构是基本满足无力位形结构的。