自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家通過航天器觀測在內(nèi)日球?qū)恿飨嗷プ饔脜^(qū)（SIRs）的形成和初始動態(tài)演化研究方面取得了進(jìn)展，而對1天文單位（AU）以上流相互作用區(qū)的演化知之甚少。作為空間天氣的驅(qū)動因素，火星軌道附近的流相互作用區(qū)的動態(tài)發(fā)展是研究熱點。因此，探討火星流相互作用區(qū)原位觀測的特征，對于了解火星大氣層和電離層的演變至關(guān)重要。

近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室博士張晗可、研究員沈芳、副研究員楊易等，聯(lián)合深空探測實驗室博士遲雨田、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地空學(xué)院教授申成龍，以O(shè)MNI數(shù)據(jù)庫為邊界條件輸入源，GONG磁圖作為日冕磁場模型的驅(qū)動數(shù)據(jù)，利用三維磁流體力學(xué)（MHD）方程組，模擬了火星附近的SIRs。進(jìn)一步，該研究將卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化方法應(yīng)用到行星際背景太陽風(fēng)三維MHD數(shù)值模擬中，利用MAVEN上的磁力計和太陽風(fēng)離子分析儀，測量火星周圍磁場的強(qiáng)度、方向、密度、溫度、速度和動壓以及天問一號火星軌道磁力計儀器探測到的火星周圍的磁場數(shù)據(jù)，結(jié)合MAVEN和天問一號的多點觀測，研究2021年11月15日至2021年12月18日觀測到的三個SIR事件——SIR1、SIR2和SIR3。

科研人員利用太陽風(fēng)數(shù)值模型生成了Model 1模擬和Model 2同化兩種結(jié)果，比較了火星附近SIRs參數(shù)的模擬、同化與觀測結(jié)果。對三個SIR事件的研究表明，模型2的流界面（SI）時間比模型1的更接近觀測，SIRs的起止時間比模型1更接近觀測。統(tǒng)計分析顯示，模型2的均方根誤差比模型1的有所減少，而相關(guān)系數(shù)比模型1的有所增加。研究表明，數(shù)據(jù)同化可以對SIRs的模擬起到調(diào)制作用，使模擬值更接近觀測值。

對火星附近SIRs的模擬和同化表明，將卡爾曼濾波方法與三維MHD數(shù)值模型相結(jié)合，可以校正觀測提前捕獲到SIRs結(jié)構(gòu)的模擬值，使SIRs結(jié)構(gòu)的起止時間以及SI的時間更接近觀測值。這是對MAVEN和天問一號聯(lián)合觀測到的流相互作用區(qū)事件進(jìn)行模擬，表明該磁流體力學(xué)模型結(jié)合數(shù)據(jù)同化方法后提升了大尺度行星際空間模擬的準(zhǔn)確性。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接

CR2251行星際背景太陽風(fēng)的速度（左）和密度（右）分布圖