NASA 的火星大氣與揮發物演化任務 ( MAVEN,Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission )和阿聯酋的希望號火星探測器( EMM,Emirates Mars Mission )發佈了火星動態質子極光事件的聯合觀測結果。 EMM 的遠程極光觀測和 MAVEN 的原位等離子體觀測為瞭解火星大氣層開闢了新的途徑。這一合作是基於最近兩個飛行任務之間共享數據而得以實現的,並突出了空間多點觀測的價值。一項關於這些發現的研究發表在《地球物理研究快報》上。

火星大氣與揮發物演化任務探測器模型

火星大氣與揮發物演化任務探測器模型

在這項新研究中, EMM 在質子極光中發現了跨越火星全天面的精細結構。質子極光是 2018 年 MAVEN 發現的一種火星極光,由來自太陽的帶電粒子與上層大氣相互作用形成的太陽風。 MAVEN 和歐洲太空總署的火星快車號( Mars Express )所做的典型質子極光觀測顯示,這些極光看起來平滑而均勻地分布在整個半球。相比之下, EMM 觀測到的質子極光表現出高度動態和變化。當火星周圍的湍流條件允許帶電粒子直接湧入大氣層,並在減速時發光,這些斑片狀的質子極光就形成了。

「EMM 的觀測表明,極光是如此廣泛和無序,火星周圍的等離子體環境一定受到了真正的干擾,以至於太陽風直接影響了我們觀測到極光發射的地方的上層大氣,」邁克·查芬說,他是科羅拉多大學波爾德分校大氣和空間物理實驗室的 MAVEN 和 EMM 科學家,也是這項研究的主要作者。「通過結合 EMM 極光觀測和極光等離子體環境的 MAVEN 測量,我們可以確認這一假設,並確定我們看到的本質上是一幅太陽風降雨到地球上的地圖。」

火星上斑駁的質子極光形成於火星周圍的湍流條件,使得來自太陽的帶電氫粒子流進火星大氣層。在 8 月 11 日和 8 月 30 日,儀器在兩種波長上都觀測到了斑片狀的極光,這表明湍流與太陽風的相互作用。

火星上斑駁的質子極光形成於火星周圍的湍流條件,使得來自太陽的帶電氫粒子流進火星大氣層。在 8 月 11 日和 8 月 30 日,儀器在兩種波長上都觀測到了斑片狀的極光,這表明湍流與太陽風的相互作用。

通常情況下,太陽風很難到達火星的高層大氣,因為環繞火星的弓形激波和磁場會改變太陽風的方向。因此,零散的質子極光觀測為我們提供了一個瞭解罕見情況的窗口——在這種情況下,火星和太陽風的相互作用是混亂的。 Chaffin 說:「這些條件對火星大氣的全面影響尚不清楚,但 EMM 和 MAVEN 的觀測將在理解這些神秘事件中發揮關鍵作用。」

火星上正常和斑片狀質子極光形成機制的比較。上圖顯示的是 2018 年首次發現的正常質子極光形成機制。下圖顯示了新發現的斑片狀質子極光的形成機制。

火星上正常和斑片狀質子極光形成機制的比較。上圖顯示的是 2018 年首次發現的正常質子極光形成機制。下圖顯示了新發現的斑片狀質子極光的形成機制。

MAVEN 和 EMM 之間的數據共享使科學家們能夠確定不均勻質子極光背後的驅動因素。 EMM 攜帶著阿聯酋航空火星紫外線攝譜儀( EMUS ),該儀器可以觀測這顆紅色星球的高層大氣和散逸層,掃描大氣成分的變化和大氣逃逸到太空。 MAVEN 攜帶全套等離子體儀器,包括磁強計( MAG ),太陽風離子分析儀( SWIA ),以及本研究中使用的超熱和熱離子組成( STATIC )儀器。

阿聯酋希望號火星探測器( EMM )

阿聯酋希望號火星探測器( EMM )

加州大學伯克利分校空間科學實驗室的 MAVEN 首席研究員香農·庫里說:「 EMM 對高層大氣的全球觀測提供了一個對 MAVEN 科學至關重要的區域的獨特視角。這些類型的同時觀測探索了大氣動力學和演變的基本物理,並突出了國際科學合作的益處。」

多優勢點測量已經被證明是地球和太陽物理學研究的一項資產。在火星上,超過 6 個軌道器正在進行科學觀測,而火星的南半球目前正在經歷夏季,質子極光被認為是最活躍的,多視角觀測將是理解這些事件如何形成的關鍵。 EMM 和 MAVEN 之間的合作展示了兩個航天器同時觀測同一區域的火星大氣發現級科學的價值。


參考文獻:

[1]MAVEN and EMM Make First Observations of Patchy Proton Aurora at Mars (nasa.gov)

[2]希望號維基百科

[3]MAVEN 維基百科

[4]Patchy Proton Aurora at Mars: A Global View of Solar Wind Precipitation Across the Martian Dayside From EMM/EMUS – Chaffin – 2022 – Geophysical Research Letters – Wiley Online Library

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