“天问一号”奔火阶段太阳风观测

文章转载自“中国科学地球科学”

“天问” 系列（Tianwen）是中国行星探测任务的总称。中国首次火星探测任务—— “天问一号”揭开了新时代中国行星探测的序幕。系列名称源自中国伟大诗人屈原的长诗《天问》，表达了中华民族追求真理的坚韧与执着，体现了国人探索自然和宇宙空间的文化延续与精神传承，寓意探知科学真理的征途漫长修远、追求科技创新的求索精神将永无止境。“天问一号”奔火阶段为期三个月的连续太阳风监测，与美国、欧洲同期火星探测任务形成互补，为多卫星联合探测、合作揭示太阳活动与火星气候变化的关系提供重要帮助。

由中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院国家空间中心、德国马克思普朗克太阳系研究所、中山大学、北京大学等国内外知名科研院所的专家团队共同合作完成的“天问一号”火星离子和中性粒子分析仪等离子体数据分析工作揭示了火星上游300万至2600万公里、长达三个月的连续太阳风等离子体变化规律。研究工作将2020年10月31日至2021年1月25日“天问一号”位于地-火转移轨道(图1)期间的太阳风等离子体观测结果与美国、欧洲多颗卫星资料进行对比，研究发现太阳活动较弱时期的远距离上游太阳风与火星处太阳风平均状态下的等离子体参数接近，为研究太阳风-火星大气的相互作用过程提供了宝贵观测资料。研究结果表明“天问一号”轨道器上搭载的火星离子和中性粒子分析仪观测数据可靠，仪器运行稳定。当前，中国“天问一号”与美国国家航空航天局火星大气与挥发物演化任务(MAVEN)、欧洲航天局“火星快车”（Mars Express）任务均环绕火星对火星空间和太阳风开展离子和磁场探测。中、美、欧三颗卫星的同期探测，开启了多点联合观测太阳风-火星大气相互作用过程的新时代。

图1 “天问一号”在2020年10月31日至2021年1月25日奔火阶段位置图

蓝色、黑色、红色和橙色的圆点分别表示地球、“天问一号”、火星和太阳在HAE坐标系中的位置，小箭头标记对应物体的运动方向。“天问一号”仅标出有太阳风观测数据的时段

中国首次火星探测计划——“天问一号”于2020年7月23日发射升空，在地火转移轨道飞行202天后，于2021年2月10日抵达环火轨道。“天问一号”由轨道器、着陆器和“祝融号”火星车三部分组成。“天问一号”的主要科学目标包括揭示火星水、大气演化历史、进一步探索火星水与大气逃逸过程与古气候演变历史。太阳风是火星大气逃逸和表面液态水损失的主要能量来源之一，获取火星上游太阳风观测资料对于认识火星气候演化进程、揭示火星古气候“大灾变”事件成因存在重要意义。“天问一号”奔火阶段对火星上游太阳风进行了长达三个月的连续监测，同期美国和欧洲的卫星均在火星空间环境中执行探测任务，三颗卫星形成了国际学术界期盼已久的多任务联测。

“天问一号”轨道器上搭载的火星离子和中性粒子分析仪由中国科学院国家空间科学中心空间环境探测重点实验室研制，旨在探测行星际及火星空间环境中的离子和能量中性粒子。火星离子和中性粒子分析仪能够区分不同离子种类，例如 H⁺、He⁺、O⁺、O₂⁺和 CO₂⁺等离子成分，并且能够从火星能量中性粒子的测量中解析出氢原子和氧原子两种成分。仪器能量测量范围为 2.8 eV 至 25.9 keV，时间分辨率最高可达 4 秒，与国际同类等离子体观测仪器性能持平。本项研究聚焦于开发一套基于微分能流通量数据（图2）计算分析太阳风等离子体参数的可靠方法，从而获取太阳风和火星空间的等离子体基本参数。

图2 2020年11月1日太阳风观测与噪声压制后的结果

(a)和(b)为原始探测数据, (c)和(d)为噪声压制后的信号. 网格展示了仪器16 16 视场角；颜色代表测量的太阳风微分能流通量

分析过程包括数据噪声压制（图2）、仪器视场评估、可靠数据筛选和等离子体参数计算等环节，最终成功从“天问一号”的观测数据中解析出火星上游2600万公里太阳风等离子体信息。筛选出可供对比的太阳风密度、速度时间范围由图3红色方框标注。研究发现，“天问一号”观测数据计算出的太阳风等离子体参数与美国OMNI数据库、美国MAVEN和欧洲“火星快车”任务观测的太阳风等离子体参数符合较好（图4和图5）。研究结果表明，即使“天问一号”火星离子和中性粒子分析仪的探测视场在地火转移阶段受到着陆器一定程度的遮挡，依旧给出了可靠的太阳风观测资料。

图3 2020 年 10 月 31 日至 2021 年 1 月 25 日奔火阶段太阳风能谱图

图4 2020年10月31日至 2021年1月25日期间太阳风质子速度(a)和密度(b)观测结果

图5不同来源的太阳风观测记录对比结果

(a) “火星快车”2005年4月至2013年7月，共2462 个轨道太阳风观测结果；(b) MAVEN 2014年10月至2020年10月，共 8412 条轨道太阳风观测数据；（c）“天问一号”奔火阶段为期3 个月的原位太阳风探测数据(10 分钟平均)

2021 年 11 月，“天问一号”火星离子和中性粒子分析仪开始了新一轮环火轨道的阶段性探测。与此同时，MAVEN、“火星快车”也将按照其相应探测计划继续监测火星空间等离子体和磁场信息。未来的火星年中，“天问一号”与MAVEN、“火星快车”的同期联测资料有望为研究火星离子逃逸以及火星大气演化历史带来全新的机遇。

该文第一作者为中国科学院地质与地球物理研究所范开博士，通讯作者为中国科学院地质与地球物理研究所魏勇研究员。本项研究得到中国科学院战略性先导科技专项项目(XDA17010201)、国家自然科学基金项目(42074207、42104171)、中国科学院地质与地球物理研究所重点研究计划项目(IGGCAS-201904、IGGCAS-202102)和中国科学院重点研究计划项目(ZDBS-SSW-TLC00103)的支持。

文章出版信息

中文版: 范开, 闫丽梅, 魏勇, 张爱兵, 孔令高, Fränz M, 何飞, 柴立晖, 袁憧憬, 王誉棋, 钟俊, 戎昭金, 尧中华, 潘永信, 崔峻, 何建森, 李文亚, 唐斌斌, 王赤. 2022. 基于“天问一号”、“火星快车”、MAVEN卫星观测的火星上游太阳风等离子体特征对比. 中国科学: 地球科学, 52, doi: 10.1360/N072021-0344

英文版: Fan K, Yan L, WeiY, Zhang A, Kong L, Fränz M, He F, Chai L, Yuan C, Wang Y, Zhong J, Rong Z, YaoZ, Pan Y, Cui J, He J, Li W, Tang B, Wang C. 2022. The solar wind plasmaupstream of Mars observed by Tianwen-1: Comparison with Mars Express and MAVEN.Science China Earth Sciences, 65(4): 759-768, https://doi.org/10.1007/s11430-021-9917-0