空间中心等科研人员合作揭示金星弓激波的变化特征

金星等离子体环境为研究基本等离子体物理过程提供了更好的天然实验室，比如无碰撞弓激波的形成与变化，因为与地球磁层相比，金星电离层作为太阳风遇到的障碍物，其尺度变化较小。

当磁声速太阳风被金星电离层阻挡，并随后减速到亚磁声速度时，就会形成一个弓激波。根据磁流体力学（MHD）理论，无碰撞弓激波是朝向太阳传播并停留在太阳风中的快磁声波。因此，弓激波的位置取决于磁声马赫数，即太阳风速度和磁声速的比值。尽管磁声马赫数具有重要意义，但考虑到太阳活动和行星际磁场的作用，弓激波的变化则复杂起来。比如以往观测显示，弓激波的位置与太阳活动有明显的相关性。

为了厘清弓激波的位置变化及其物理机制，中国科学院国家空间科学中心特别研究助理徐麒与副研究员谢良海等人，与南京信息工程大学副教授王明合作，利用磁流体力学数值模拟，分析了太阳辐射和太阳风条件对金星弓激波位置的影响。模拟结果显示金星的弓激波形状和位置受太阳辐射通量和太阳风磁声马赫数的影响。太阳辐射起作用的物理机制被解释为电离层尺度和行星离子质量加载效应随辐射强度变化；而太阳风磁声马赫数的作用则是与快磁声波的传播有关，显示出无碰撞弓激波形成的磁流体力学本质特征。该研究发表于学术期刊The Astronomical Journal。

图1 金星弓激波位置随太阳风磁声马赫数和太阳风磁场变化的磁流体模拟结果

此外，王明、徐麒等人利用金星快车的观测数据，验证了模拟结果：金星弓激波的空间尺度随磁声马赫数呈非线性变化，并与太阳辐射通量呈线性相关，但是除了行星际磁场和激波法线之间的夹角外，弓激波位置与行星际磁场强度、方向以及太阳风动压没有明显的相关性。基于以上结论，一个金星弓激波位型随太阳辐射和太阳风磁声马赫数变化的经验模型得以建立了起来，该模型不仅阐明了平静太阳风条件下弓激波的变化行为，还揭示了在磁云撞击金星期间，在极低的磁声马赫数条件下大幅扩展的弓激波位置。该研究发表于学术期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics。

图2 金星弓激波位置随太阳风磁声马赫数和太阳辐射强度变化的金星快车观测结果

上述工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。

论文链接：

Wang, M., Xu, Q.*, Xie, L., Li, L., & Xu, X. (2024). A 3D Parametric Venusian Bow Shock Model with the Effects of Mach Number and Interplanetary Magnetic Field. The Astronomical Journal, 167(2), 81. https://doi.org/10.3847/1538-3881/ad192d

Wang, M., Xu, Q.*, Xie, L., Li, L., Zhang, Y., Lu, J., et al. (2024). The dynamic Venusian bow shock model with the nonlinear effect of magnetosonic Mach number based on Venus Express observations. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2024JA032741. https://doi.org/10.1029/2024JA032741

（供稿：天气室）