合聲波是廣泛存在于地球和其他行星磁層中的一種電磁波動(dòng)。將其電磁信號轉化為聲音后聽(tīng)起來(lái)像清晨群鳥(niǎo)的合唱聲，因此得名合聲波。合聲波能夠通過(guò)共振的方式加速空間中的高能電子，在磁暴活動(dòng)期間引發(fā)地球輻射帶電子通量的快速上升；同時(shí)，它還能夠將空間中的高能電子散射到大氣層中，形成彌散和脈動(dòng)極光現象。
合聲波的一個(gè)特征是其頻譜通常呈現出窄帶的快速掃頻結構。該掃頻結構的激發(fā)機制引起了人們幾十年來(lái)的廣泛興趣，科學(xué)家們對此提出了多種理論模型。然而，關(guān)于合聲波為何會(huì )出現掃頻以及如何計算掃頻率的問(wèn)題一直存在爭議。其中一個(gè)主要爭論點(diǎn)是背景磁場(chǎng)的不均勻度是否在合聲波的掃頻中起到關(guān)鍵作用，以及這種不均勻度如何影響合聲波的掃頻現象。此前中國科大團隊提出的合聲波 “Trap-Release-Amplify”（TaRA）模型基于現代等離子體物理理論，認為磁層中合聲波的掃頻是非線(xiàn)性過(guò)程與背景磁場(chǎng)不均勻度共同作用的結果，并提供了相應的掃頻率計算公式。然而地球磁層中的磁場(chǎng)不均勻度變化有限，無(wú)法在更大的參數空間內對TaRA模型開(kāi)展測試。
火星與地球之間存在截然不同的磁場(chǎng)環(huán)境：地球擁有全球性的類(lèi)偶極磁場(chǎng)，而火星則只存在局地的巖石剩磁。在火星的剩磁環(huán)境中，MAVEN衛星也曾觀(guān)測到類(lèi)似合聲波事件。圖1展示了在火星和地球上觀(guān)測到的波動(dòng)事件以及相應的背景磁力線(xiàn)軌跡。通過(guò)計算可以發(fā)現，火星與地球的背景磁場(chǎng)不均勻度相差了五個(gè)數量級。通過(guò)對比研究地球和火星上的波動(dòng)事件，可以在更加極端的條件下測試此前所提出的TaRA模型。
圖1.火星和地球上的磁力線(xiàn)位型以及觀(guān)測到的合聲波頻率-時(shí)間譜圖。
本研究基于MAVEN衛星對火星粒子分布的觀(guān)測，結合相應的火殼剩余磁場(chǎng)模型，采用基于第一性原理的粒子模擬方法，成功重現了火星上觀(guān)測到的類(lèi)合聲波動(dòng)現象。通過(guò)對粒子相空間分布的分析，確認了這種波動(dòng)的掃頻過(guò)程與地球上的合聲波一致，都是由非線(xiàn)性過(guò)程引發(fā)的。此外，該研究進(jìn)一步使用TaRA模型提供的兩種不同方法來(lái)計算合聲波的掃頻率，并將其與觀(guān)測和模擬結果進(jìn)行了對比。研究發(fā)現基于非線(xiàn)性過(guò)程和背景磁場(chǎng)不均勻度計算出的掃頻率與模擬結果之間存在高度一致性。本研究結果表明，盡管火星和地球擁有截然不同的磁場(chǎng)和等離子體環(huán)境，但在火星上觀(guān)測到的類(lèi)合聲波動(dòng)與地球磁層中的合聲波動(dòng)遵循相同的基本物理過(guò)程。同時(shí)，本研究還在磁場(chǎng)不均勻度相差五個(gè)數量級的極端條件下驗證了TaRA模型所描述的掃頻基本物理過(guò)程的廣泛適用性。這一發(fā)現不僅確認了火星上存在合聲波動(dòng)，也為在極端條件下驗證和應用TaRA模型提供了重要支持。
本研究相關(guān)成果以Whistler mode chorus waves at Mars為題發(fā)表于國際綜合性學(xué)術(shù)雜志Nature Communications上。論文第一作者為原中國科技大學(xué)博士后滕尚純（現為同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院研究員），通迅作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陶鑫教授。其他合作者包括中科大博士生吳一凡、日本京都大學(xué)Yuki Harada 教授、美國加州大學(xué)洛杉磯分校Jacob Bortnik 教授、意大利ENEA 非線(xiàn)性等離子體物理中心Fulvio Zonca教授以及浙江大學(xué)陳騮教授。該研究受到中科院類(lèi)地行星先導專(zhuān)項、自然科學(xué)基金項目以及中央高校基礎研究經(jīng)費的支持。
相關(guān)論文：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38776-z
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）
