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,。將其電磁信號轉(zhuǎn)化為聲音后聽起來像清晨群鳥的合唱聲,，因此得名合聲波,。合聲波能夠通過共振的方式加速空間中的高能電子,，在磁暴活動期間引發(fā)地球輻射帶電子通量的快速上升；同時(shí),，它還能夠?qū)⒖臻g中的高能電子散射到大氣層中,，形成彌散和脈動極光現(xiàn)象。
合聲波的一個(gè)特征是其頻譜通常呈現(xiàn)出窄帶的快速掃頻結(jié)構(gòu),。該掃頻結(jié)構(gòu)的激發(fā)機(jī)制引起了人們幾十年來的廣泛興趣,，科學(xué)家們對此提出了多種理論模型。然而,，關(guān)于合聲波為何會出現(xiàn)掃頻以及如何計(jì)算掃頻率的問題一直存在爭議,。其中一個(gè)主要爭論點(diǎn)是背景磁場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(xiàn)象,。此前中國科大團(tuán)隊(duì)提出的合聲波 “Trap-Release-Amplify”（TaRA）模型基于現(xiàn)代等離子體物理理論,，認(rèn)為磁層中合聲波的掃頻是非線性過程與背景磁場不均勻度共同作用的結(jié)果，并提供了相應(yīng)的掃頻率計(jì)算公式,。然而地球磁層中的磁場不均勻度變化有限,，無法在更大的參數(shù)空間內(nèi)對TaRA模型開展測試。
火星與地球之間存在截然不同的磁場環(huán)境：地球擁有全球性的類偶極磁場,，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(wèi)星也曾觀測到類似合聲波事件,。圖1展示了在火星和地球上觀測到的波動事件以及相應(yīng)的背景磁力線軌跡,。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),，火星與地球的背景磁場不均勻度相差了五個(gè)數(shù)量級。通過對比研究地球和火星上的波動事件,，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位型以及觀測到的合聲波頻率-時(shí)間譜圖,。
本研究基于MAVEN衛(wèi)星對火星粒子分布的觀測,，結(jié)合相應(yīng)的火殼剩余磁場模型，采用基于第一性原理的粒子模擬方法,，成功重現(xiàn)了火星上觀測到的類合聲波動現(xiàn)象,。通過對粒子相空間分布的分析，確認(rèn)了這種波動的掃頻過程與地球上的合聲波一致,，都是由非線性過程引發(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計(jì)算合聲波的掃頻率,，并將其與觀測和模擬結(jié)果進(jìn)行了對比,。研究發(fā)現(xiàn)基于非線性過程和背景磁場不均勻度計(jì)算出的掃頻率與模擬結(jié)果之間存在高度一致性。本研究結(jié)果表明,，盡管火星和地球擁有截然不同的磁場和等離子體環(huán)境,，但在火星上觀測到的類合聲波動與地球磁層中的合聲波動遵循相同的基本物理過程。同時(shí),，本研究還在磁場不均勻度相差五個(gè)數(shù)量級的極端條件下驗(yàn)證了TaRA模型所描述的掃頻基本物理過程的廣泛適用性,。這一發(fā)現(xiàn)不僅確認(rèn)了火星上存在合聲波動，也為在極端條件下驗(yàn)證和應(yīng)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(xiàn)為同濟(jì)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地行星先導(dǎo)專項(xiàng)、自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及中央高?；A(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)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）
