火星弓激波在弱扰动太阳风条件下的振荡机制与动力学响应

《Nature Communications》：Bow shock oscillations of Mars under weakly disturbed solar wind conditions

本研究针对火星弓激波（BS）在弱扰动太阳风条件下的短时标振荡现象，通过中国天问一号（Tianwen-1）与NASA的MAVEN探测器联合观测，首次揭示了分钟级、百公里尺度的弓激波振荡特征。结合三维磁流体动力学（MHD）模拟，研究证实低磁声马赫数（Mms）是弓激波振荡的关键驱动因子，为理解无磁场行星与太阳风相互作用提供了新视角。

　　

火星作为人类深空探索的重要目标，其空间环境与地球存在显著差异。由于缺乏全球性内禀磁场，火星直接暴露于太阳风的作用下，形成由弓激波（Bow Shock, BS）、磁鞘和感应磁层组成的复杂结构。弓激波作为太阳风与火星相互作用的第一个边界，其动态变化直接反映了外部太阳风条件与火星电离层、地壳磁场的耦合过程。然而，受限于单航天器观测数据的时空分辨率，火星弓激波在短时间尺度（如分钟级）的振荡行为及其驱动机制长期以来难以被精确捕捉和理解。

为解决这一难题，中国科学技术大学汪毓明教授团队联合国内外研究机构，利用天问一号（Tianwen-1）轨道器的磁强计（MOMAG）和离子与中性粒子分析仪（MINPA），以及NASA的MAVEN（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN）探测器的太阳风数据，首次实现了对火星弓激波的多点同步观测。研究聚焦于2021年11月至12月期间天问一号在晨昏侧 flank 区域记录的弓激波穿越事件，特别筛选出在弱扰动太阳风条件下发生的多次穿越现象，并通过三维MHD模拟验证了观测结果的物理机制。

研究团队采用多航天器协同分析、磁场的极小方差分析（MVA）确定激波法向、三维磁流体动力学（MHD）数值模拟（基于BATS-R-US代码）以及离子能谱诊断（MINPA数据）等关键技术方法。其中，天问一号的MINPA仪器通过其独特的视场（FOV）设计，有效区分了太阳风与磁鞘的离子信号；MAVEN的SWIA（Solar Wind Ion Analyzer）和MAG（Magnetometer）则提供了上游太阳风参数的高精度监测。

观测到分钟级大尺度振荡

通过分析2021年12月2日和12月25日的两次事件，天问一号在穿越弓激波时记录了磁场强度（|B|）和离子通量的同步跳变，其时间尺度为2–4分钟，空间振荡幅度达150–400公里。

研究排除了热流异常（HFA）、鞘流喷流（sheath jets）、激波表面涟漪（rippling）等瞬态结构的干扰。关键证据包括：激波法向方向变化小于10°，下游磁场稳定，且事件均发生在准垂直激波（θ_Bn > 45°）条件下，进一步支持了弓激波整体振荡的结论。

振荡的成因分析

研究通过对比35次单次穿越事件与两次振荡事件的上游参数发现，磁声马赫数（M_ms）是区分两类事件的核心参数。振荡事件的M_ms显著偏低（事件1为4.7，事件2为1.5），而单次穿越事件的M_ms均高于5.0或1.7。

三维MHD模拟进一步证实，低M_ms条件下弓激波更易受弱太阳风扰动驱动而发生大尺度振荡。对比模拟显示，火星地壳磁场（crustal field）的旋转对振荡影响微弱，排除了内部驱动为主因的可能性。

研究结论与意义

本研究首次揭示了火星弓激波在弱扰动太阳风条件下存在分钟级振荡的现象，并明确磁声马赫数为关键控制参数。低马赫数意味着弓激波强度较弱，更易受太阳风扰动影响而产生百公里尺度的位置波动。这一发现不仅深化了对无磁场行星-太阳风耦合动力学的认识，也为未来火星探测任务（如ESCAPADE、MOSAIC）的协同观测提供了理论依据。研究发表于《Nature Communications》，彰显了中国深空探测数据在国际行星科学前沿中的重要作用。