作者:钟俊等 来源:《地球物理研究通讯》 发布时间:2023/8/15 14:58:00
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科学家发现水星弓激波上游驻哨声波

 

太阳风与行星磁层相互作用时,会在上游形成无碰撞激波——弓激波。影响无碰撞激波的重要参数之一是阿尔芬马赫数MA(太阳风速度与阿尔芬速度之比)。在不同MA下,无碰撞激波具有不同的结构特征。不同行星轨道附近太阳风MA不同。由于离日最近,水星轨道处太阳风MA在所有行星中最低(约为4~6),尤其在行星际日冕物质抛射事件(ICMEs)经过水星期间,MA将会更低(约为2)。因此,研究水星弓激波是探究低马赫数无碰撞激波的重要途径。 

哨声波在行星弓激波上游广泛存在,参与激波的形成并与粒子发生相互作用。目前,研究已发现两种从激波坡道产生的哨声波——传播哨声波和相位驻哨声波。传播哨声波的传播方向相对于磁场角度较小,可以传播到上游很远的地方。它们在地球弓激波的上游被广泛观测到,通常被称为“1Hz”波。此外,它们也经常在其他行星弓激波中被观察到,如水星、金星、火星和土星。相反,驻哨声波则较为少见。 

驻哨声波相对于激波在空间上具有恒定相位,沿激波法线方向传播,并能在几个波周期内迅速衰减(图1)。当卫星从上游移动到下游时,驻哨声波相对于磁场方向表现为右手极化(绿色方框中为波的极化方向)。相反,当卫星朝相反方向运动时,表现为左手极化。驻哨声波在地球弓激波的上游很少被观测到,这是由于它们通常发生在低MA条件下。 

图1. 水星弓激波上游驻哨声波示意图

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星重点实验室博士生汪洋与副研究员钟俊、研究员潘永信等,利用“信使号”对水星的观测,探讨了ICMEs经过水星期间弓激波的特征。研究发现,在ICMEs期间,驻哨声波普遍存在于水星弓激波上游。 

典型驻哨声波观测如图2所示。在几分钟内,弓激波的运动导致“信使号”多次穿越弓激波,并在激波上游观测到振幅快速衰减的椭圆极化波。在这一事件中,当卫星从太阳风(上游)进入磁鞘(下游)时,观测到的波相对于磁场方向(B3)是右手极化,反之,观测到的是左手极化。这一特征表明这些波的相位相对于激波在空间上是固定的。

图2. 水星弓激波上游驻哨声波典型观测

研究显示,在所有ICMEs经过水星的事件中,寻找到36个驻哨声波事件,发生率约为20%。相对于地球较少的报道,水星具有高发生率的特点。这些椭圆极化波统计特征包括:沿着激波法向传播(图3a)、波幅在几个波长内快速衰减(图3c)、径向空间尺度在50公里以内(图3b)、在卫星坐标系中,平均频率约为1.67Hz。

图3. 水星弓激波上游驻哨声波统计特征。(a)波矢与磁场(kB)及激波法向(kn)的夹角,(b)卫星坐标系中波的衰减距离,(c)波幅衰减时间与波周期之比,(d)波频分布,(e)波周期与激波坡道之比,(f)波幅与激波角余弦的相关性。

既往研究提出激波是驻哨声波的最后半个周期波。本研究利用卫星观测到的波周期及激波穿越时长之比(图3e)检验这一猜想。观测结果表明,激波宽度接近于驻哨声波的一个波长,因而这一猜想目前来看或不可靠。也有学者从理论上提出激波中的电流产生驻哨声波的机制。基于该理论得到波的相对振幅与激波角(磁场与激波法向夹角)的余弦成正相关关系。本研究观测与这一理论一致(图3f),表明水星驻哨声波极有可能是激波中的电流产生。 

该研究进一步表明:激波上游驻哨声波是低马赫数下无碰撞激波的固有结构;水星弱弓激波是研究驻哨声波的天然实验室。欧洲航天局和日本联合的双星计划BepiColombo于2018年发射,预计2025年底入轨,期待带来高质量、多仪器的联合探测数据,帮助科学家进一步剖析这些波动。 

相关研究成果发表在《地球物理研究通讯》(GRL)上。(来源:中国科学院地质与地球物理研究所)

相关论文信息:https://doi.org/10.1029/2022GL102574

 
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