火星背阳面电子沉降对电离层的影响

发布时间：2020-07-26 20:24

【摘要】： 本文在充分调研当前火星空间模拟以及其空间环境的探测结果的基础上,借用火星空间模拟的单流体理想MHD模型,研究了火星空间磁场结构及火星表面局部磁异常对磁场结构的影响;采用单粒子轨道理论模拟计算了在火星背阳面太阳风电子可以沉降至火星大气深处以致产生电离层的区域;并利用电子撞击电离中的能量流分析的方法模拟分析火星背阳面电离层中的峰值高度和电子密度。太阳风与火星相互作用的过程中,行星际磁场弯曲并向两极移动且被拖拽变形,大部分磁力线从火星两极绕过,通过火星之后在磁尾留下V字形结构。火星表面附近局部磁异常也对火星磁场结构产生不可忽视的影响。不同位置、强度的磁异常与太阳风相互作用形成结构、形态各异的微磁层。局部磁异常改变了近火磁场结构,并可能改变等离子体的分布。行星际磁场通过火星之后在磁尾留下V字形结构。太阳风电子在等离子体中延磁力线运动,并延V字形结构磁场沉降到火星背阳面电离层高度并发生撞击电离。沉降的区域为火星晨昏线的背阳面一侧,两处沉降区相当狭小。这可能导致火星背阳面电离层并不稳定,且范围不大。太阳风电子随磁力线沉降到火星背阳面表面,在130～500km高度范围内发生撞击电离。在Phobos-2卫星的探测数据作为入射流条件的情形下,电离峰值高度在170km左右,电离电子密度的峰值为3.4×103cm-3。同时也考察了电子能量和电子能流密度对电离峰值高度和电子密度的影响。模拟结果与Mars4/5、Viking卫星掩星探测的结果基本相符。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P185.3
【图文】：

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图 1.1 火星的照片1.2 火星的探测历史人类首次对火星进行探测始于上个世纪 60 年代，历经 40 余年，一共进行了40 余次尝试，但三分之二以失败告终。无论探测火星的出发点是寻找“火星生命”，还是出于政治目的，每一个成功发射火星探测器都给我们带回了宝贵的火星探测数据，他们都是我们研究火星的重要依据：1964 年 11 月 28 日，美国的“水手 4”（Mariner 4）发射升空，1965 年 7 月成功飞临火星，这是人类首次对火星探测的成功，探测器向人类发回了第一张火星表面图片。1969 年 2 月 25 日，美国“水手 6”号探测器飞达火星，发回许多火星图片。1969 年 3 月 27 日，美国“水手 7”号探测器升空，成功发回火星图片。

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图 1.2 美国近期火星探测计划.3 火星的空间环境特征随着 Phobos-2 以及 MGS 卫星的成功探测，我们对火星的空间环境了解越多。与众多行星大不相同，火星全球性的固有磁场很小（火星表面的磁场强度 5nT）（Acuna，1998）。火星虽然没有全球性磁场，但在火星南半球，MGS 发现了许多磁场强度大于 400nT 的磁场异常的区域（简称磁异常），甚至在星表面 100km 高度处发现高达 1600nT 的磁场强度，400km 高处可达 200Brain，2003）。这种磁异常现象有可能是火星原有的磁场退化后，埋藏在火壳内的金属矿藏的巨大剩磁造成的。但不管怎样，这种复杂的磁场结构对火层的全球结构及其火星空间的动力学过程带来了很大的影响。

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在激波和电离层之间的区域，即为磁鞘。源自火星的重离子与磁鞘内减速后的太阳风粒子相互作用，通过电磁场传递动量，又形成了一个特殊的边界，即磁堆积区边界（MPB）。根据目前的了解，处在太阳风中的火星，与地球不同，他的空间环境大致分为：弓激波、磁鞘、磁堆积区及其边界（MPR、MPB）、电离层和磁尾等五个区域。他们的位置相互关系，大致如图 1.3 所示。图中最外层的边界为火星的弓激波（Bow shock），弓激波之内是磁鞘区（Magnetosheath），磁鞘区与磁堆积区（Magnetic Pileup Region）之间的边界叫做磁堆积区边界（Magnetic PileupBoundary），再往内是电离层顶，电离层，而火星后的尾部为火星的磁尾，磁尾当中的叫做磁尾等离子体片（Plasmasheet）。

【共引文献】