Variations of the Martian Thermospheric Gravity Wave Activity during the Recent Solar Minimum as Observed by MAVEN
大气重力(浮力)波对所有行星大气的能量和动量收支具有重要意义。向上传播的波将能量和动量从低层大气带到热层高度,并在那里重新分布。在火星上,GWs控制着热层和电离层的变化。我们提供了一个全面的气候学火星热层GW活动在太阳活动最低(太阳周期24结束)推断中性气体和离子质谱仪上的火星大气和挥发性演变(NGIMS/MAVEN)的测量。结果进行了比较和解释,使用一维谱非线性GW模型。月平均GW活动随高度(150-230 km)的变化在6- 25%之间,在$\sim$ 170 km处达到最大值。GW活动系统地表现出当地时间的变化,夜间值超过白天,根据以前的研究。分析表明,昼夜差异主要是由分子扩散引起的耗散和背景密度降低引起的波增长之间的竞争造成的。因此,对流不稳定机制可能发挥不太重要的作用,在限制GW振幅在上层热层,这解释了他们的本地时间行为。
2021-07-22 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
In Situ Detection of Kinetic-Size Magnetic Holes in the Martian Magnetosheath
在磁场强度上以低于一个质子回旋半径的尺度的降低被称为动力学尺寸磁孔(KSMH)。KSMH是近地面空间环境中经常观测到的一种离子,被认为在空间等离子体中的电子散射和能量耗散中起着重要作用。最近,KSMH已被证明在金星磁鞘。然而,在其他行星环境中对KSMH的观测仍然缺乏。在这项研究中,我们提出了在火星磁鞘中的KSMHs原位探测火星大气和挥发物演化(MAVEN)的第一次。KSMH在南北半球的分布不对称,在黎明-黄昏半球的分布不明显。所观察到的KSMHs伴随着垂直方向上的电子通量的增加,这表明KSMHs内部的电子涡旋的形成和被捕获的电子的线索。这些特征与地球磁鞘、磁尾等离子体片和金星磁鞘的观测结果相似。这意味着KSMH是空间中的普遍磁性结构。
2021-09-24 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Ready functions for calculating the Martian radiation environment
了解和模拟火星辐射环境对于未来人类火星任务的准备工作至关重要,特别是在极端和升高的条件下,如强烈的太阳高能粒子(SEP)事件。这些事件可能会大大提高辐射水平,应尽快预报,以防止对人员和设备造成严重损害。此外,无处不在的银河宇宙射线(GCR)也是太空和火星表面辐射的重要组成部分,可能对当前和未来的任务造成长期损害。基于GEANT 4蒙特卡罗模拟,利用火星大气和风化层环境,计算并得到了几个可用于快速将SEP或GCR质子/氦离子谱转换为火星表面和大气不同深度辐射剂量的函数。我们将这些功能实现到欧洲行星项目下的RADMAREE工具中,公众可以轻松访问该工具。
2019-02-05 physics.space-ph
The Impact of a Stealth CME on the Martian Topside Ionosphere
第24太阳活动周是有记录以来最弱的太阳活动周之一,但令人惊讶的是,它的下降阶段有一个缓慢的CME,没有任何低日冕信号,被归类为隐形CME,这是地球强烈磁暴的原因(Dst = -176 nT)。这一空间天气事件对地球电离层的影响已有报道。然而,这一CME超过1 au的传播和对其他行星环境的影响还没有研究到目前为止。本文分析了日地L1点和火星轨道(1.5au附近)的观测数据,以了解1au以外观测到的隐形CME的特征。地球附近的观测使用的是位于L1点的太阳动力学观测台和高级成分探测器卫星的数据,而火星附近的观测使用的是火星大气和挥发物演变飞行任务上的等离子体和磁场测量仪器的数据。观测结果表明,隐形日冕物质抛射在对太阳进行初始观测7天后已达到1.5天文单位,并在火星的夜面顶面电离层中造成损耗,正如在MAVEN上的朗缪尔探测器和波(LPW)仪器的入境相位测量期间所观察到的那样。这些观测结果对火星高层大气的离子逃逸率有影响。
2021-02-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Will the Mars Helicopter Induce Local Martian Atmospheric Breakdown?
火星上的任何旋翼飞行器都将在低压和尘土飞扬的环境中飞行。众所周知,地球上的直升机变得高度带电,部分原因是在沙质条件下飞行时的摩擦电效应。我们认为,作为火星2020毅力任务的一部分,在火星上飞行的火星直升机侦察机(MHS),也将由于颗粒转子摩擦电相互作用而带电。考虑到火星大气的低气压约为5托,叶片上的摩擦电荷可能会变得足够强烈,以刺激旋翼飞行器表面附近的气体击穿。我们将颗粒-刀片相互作用建模为沿着刀片边缘在颗粒-刀片接触最大的区域中形成的电流线。然后,该电流在旋翼飞行器的整个连接的准导电区域中传播。电荷在飞行器上积累,而消除电荷的耗散途径又回到了大气中。我们发现,对于叶片摩擦充电电流,形成在环境大气灰尘负载,系统电流平衡和电荷耗散可以通过标称大气导电电流来完成。然而,在起飞和着陆时,旋翼机可能处于旋翼产生的微粒云中,导致旋翼机附近的局部大气电击穿。我们特别注意到,击穿中的大气电流并不足以对Incidity本身造成任何危害,但Incidity操作可以被认为是一个独特的实验,它提供了对火星近地表大气电特性的测试。
2021-02-08 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
The Impact of Solar Radiation on the Martian Upper Atmosphere
本研究利用MAVEN和MOM的近同步数据,分析2018年6月火星150-300公里高度大气组分密度变化,结合光化学平衡揭示太阳辐射与太阳风对火星高层大气的调控机制。
2024-09-13 astro-ph.EP physics.space-ph
Tracing the fate of carbon and the atmospheric evolution of Mars
火星的气候很可能是从早期的温暖湿润状态演变到现在的寒冷干旱状态。然而,以前没有发现这种演变的解决方案,以满足所观察到的地质特征和大气的同位素测量。在这里,我们表明,一个家庭的解决方案存在,调用没有丢失的水库或损失过程。通过CO光解和溅射的碳逃逸富集了火星大气中的重碳(13 C),部分被适度的碳酸盐沉淀所补偿。目前的大气13 C/12 C和岩石和土壤碳酸盐测量表明,早期大气的表面压力<1巴。只有在开阔湖泊中形成大量碳酸盐的情况下,才允许高达1.8 bar的更高值。进化的情景是完全可以测试的数据从MAVEN任务和进一步研究的同位素组成的火星岩石记录随着时间的推移。
2015-12-02 astro-ph.EP physics.space-ph
Variability of the Incompressible Energy Cascade Rate in Solar Wind Turbulence Around Mars
我们提出了一个不可压缩的能量级联率在火星周围的太阳风的变化的统计分析,充分发展的湍流和超过五年的火星大气和挥发性演变(MAVEN)的观测使用一个确切的关系。利用磁场和等离子体数据,我们计算了原始太阳风中磁流体力学(MHD)尺度下的能量级联率。从我们的统计结果中,我们得出结论,不可压缩的能量级联率随着火星日心距离的增加而减少,对于三个探索火星年的每一个。此外,我们表明,质子回旋波的存在下,与扩展的火星氢散逸层,不具有显着的效果,在MHD尺度的非线性级联的能量。
2022-01-27 physics.space-ph
Effect of Incoming Solar Particle Radiations on The Exosphere of Mars
火星轨道飞行器任务(MOM)的火星外大气层中性成分分析仪(MENCA)测量火星的\emph{in-situ}中性高层大气成分。火星低层大气中主要存在$CO_2$,它在离外底很近的高海拔地区光解为原子氧($O$)。原子$O$在激发火星电离层中更强的$O_2^+$存在方面起着重要作用。初级光离解物种$CO_{2}$,在无碰撞的非均匀大气中,随着当地太阳条件的变化,与原子$O$交叉其中性丰度。火星大气和挥发物演化(MAVEN)上的中性气体和离子质谱仪(NGIMS)仪器的初步测量估计,在太阳光照最大的太阳最大条件下,这些交叉/过渡高度在$\approx$ 225公里至240公里之间波动。MENCA在2018年6月期间,在低太阳活动条件下,对外底以下高达$\approx$ 160 km的中性大气物种进行了采样。观测$CO_2$和$O$在后续轨道上的分压表明,太阳输入在量化这些交叉点方面至关重要,其中$[O]/[CO_2]$保持统一,同时受到温度的影响。在火星当地傍晚时分观测并介绍了多航天器测量太阳风带电粒子通量和速度对中性热层/外逸层组成的日变化的直接影响。它标志着有史以来第一次直接\emph{in-situ}观测高能太阳粒子辐射对火星外逸层成分之间的相互作用,可能有助于稳定逃逸和外逸层中原子$[O]$的不同种群。
2022-02-01 physics.space-ph
Foreshock Ultra-Low Frequency Waves at Mars: Consequence on the Particle Acceleration Mechanisms at the Martian Bow Shock
本研究基于MAVEN磁强计观测,首次统计分析了火星前兆区超低频波,发现其特征与快磁声波一致,推测由离子-离子右旋共振不稳定性产生,并揭示了行星弓激波中可能存在共同的粒子加速过程。
2024-12-19 physics.plasm-ph physics.space-ph
Cooling of the Martian thermosphere by CO$_2$ radiation and gravity waves: An intercomparison study with two general circulation models
观测结果表明,火星的低热层($\sim$ 100- 140公里)比目前的大气环流模式所能再现的温度低40 K。模型中缺少的物理过程的可能候选者是更大丰度的原子氧,促进更强的CO $_2$辐射冷却,以及重力波的热效应。使用两个国家的最先进的火星大气环流模型,气象动力学和马克斯普朗克研究所的模型,自洽覆盖从表面到热层的大气,这些物理机制进行了研究。模拟结果表明,CO $_2$辐射冷却与足够大的原子氧丰度,和重力波引起的冷却可以单独导致高达40 K的低温在较低的热层温度。考虑到这两种机制,在高纬度地区产生了更强的冷却作用。然而,辐射冷却效应在中层顶以上达到峰值,而重力波冷却速率则随高度不断增加。尽管这两种机制同时作用,但这些特点可能有助于根据未来的观察进一步量化它们的相对贡献。
2015-04-21 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Investigating the biological potential of galactic cosmic ray-induced radiation-driven chemical disequilibrium in the Martian subsurface environment
越来越多的证据表明古代火星上存在水环境,这引发了在这样的环境中存在生命的可能性的问题。随后,随着火星大气层的侵蚀导致气候急剧变化,地表水消失,地球上的可居住空间缩小,只有少量的水以盐水和水冰沉积物的形式留在地表附近。生命,如果曾经存在过,将不得不适应严酷的现代条件,包括低温和表面压力,以及高辐射剂量。目前,没有证据表明地球表面有任何生物活动,然而,尚未被探索的地下环境不那么严酷,有水冰和盐水形式的水的痕迹,并经历辐射驱动的氧化还原化学。我假设,银河宇宙射线(GCR)-感应辐射-驱动的化学不平衡可以用于代谢能量的现存的生命,和宿主生物体使用类似的化学和辐射环境中看到的机制在地球上。我提出了一个GCR引起的辐解区,并讨论了罗莎琳德富兰克林探测器的ExoMars任务找到这样的生命的前景。
2020-06-15 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.space-ph
Response of the Martian Ionosphere to Solar Activity including SEPs and ICMEs in a two week period starting on 25 February 2015
在2015年2月至3月的两周内,一系列行星际日冕物质抛射(ICME)和(太阳高能粒子)SEP与火星接触。几个航天器观测到了这种相互作用,包括火星快车(MEX)、火星大气和挥发物演化任务(MAVEN)和火星奥德赛(MO)。ICME扰动的特征在于离子速度、等离子体温度、磁场大小和高能电子通量的增加。此外,增加的太阳风的密度和速度,异常高的本地电子密度和高流速的夜侧在高海拔地区在3月8日事件期间被检测到。这些影响被认为是由于电离层等离子体远离火星的运输。在近拱点的峰值电子密度显示出大幅增加,在第二次ICME期间在深夜面达到约2.7 x 104 cm-3的数密度,这对应于MO高能中子探测器通量的增加,表明由于带电粒子的高强度,中性大气的电离增加。在第四次ICME的冲击之前,SEP显示出显著的增强,导致撞击电离和表面回波强度的吸收,其下降到噪声水平。此外,峰值电离层密度表现出一个离散的一段时间内约30小时左右的同一位置,这可能是由于碰撞电离。此时的离子逃逸率计算为1025 - 1026 s-1,与MAVEN结果一致,但略高。
2016-10-26 physics.space-ph
Non-thermal escape of molecular hydrogen from Mars
我们提出了一个详细的理论分析的非热逃逸的分子氢从火星引起的碰撞与热原子氧从火星日冕。为了准确描述O + H $_2(v,j)$碰撞中的能量转移,我们对态-态弹性、非弹性和反应性截面进行了广泛的量子力学计算。H $_2$分子的逃逸通量的评估使用简化的一维柱模型的火星大气与现实的大气气体密度和热氧生产率的低太阳活动条件。考虑到O $_{2}^{+}$离子解离重组中产生的高能O原子,得到H $_2$的非热逃逸通量的平均密度为$1.9\times10^5$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$。预测的振转分布的逃逸H $_2$被发现包含一个显着的分数较高的旋转状态。虽然发现H $_2$分子的非热逃逸速率低于Jeans通量,但HD和D $_2$的非热逃逸速率显著高于其各自的Jeans速率。H $_2$不同分子同位素的非热逃逸通量的精确值对于分析火星大气的演化具有重要意义。所描述的分子喷射机制是通用的,并且预期有助于H $_2$和其他轻分子从行星、卫星和系外行星体的大气逃逸。
2011-12-04 astro-ph.EP physics.chem-ph physics.space-ph
Widespread plasma jets in the Martian magnetosheath revealed by dual-spacecraft observations
Boston University(波士顿大学);Institute for Advanced Study, Princeton(普林斯顿高等研究院);The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory(约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室)
本研究利用MAVEN和天问一号双航天器观测,发现火星磁鞘中广泛存在等离子体射流,并揭示其形成与火星氢冕产生的拾取离子驱动质子回旋波有关,表明行星固有属性在太阳风-行星耦合中起重要作用。
2026-09-18 astro-ph.EP physics.space-ph
Advancing Resource Extraction Systems in Martian Volcanic Terrain: Rover Design, Power Consumption and Hazard Analysis
Welham Boys’ School, Dehradun(德里达伦中学);Prayoga Institute of Education Research, Bengaluru(布加勒斯教育研究学院)
本研究提出火星火山地形原位资源利用计划,设计约2.1吨六轮摇臂-转向架漫游车,结合边坡稳定、太阳能与核能供电,实现自主采矿,强调机械韧性、环境适应与操作自主性。
2025-09-07 astro-ph.EP astro-ph.IM cs.RO
The Influence of Magnetic Field Topology and Orientation on the Distribution of Thermal Electrons in the Martian Magnetotail
热(<1 eV)电子密度测量,来自火星大气和挥发物演化(MAVEN)朗缪尔探测器和波(LPW)仪器,进行了分析,以产生在火星磁尾的热电子人口的第一个统计研究。重合测量的本地磁场被用来证明,靠近火星,热电子人口是最有可能被观察到的圆柱形距离约1.1火星半径(RM)的中央尾部区域的时候,当磁场耀斑向内朝中央尾部,相比之下,约1.3 RM的时候,当磁场耀斑向外远离中央尾部。在磁尾更远的地方也观察到类似的模式,但变化更大。热电子密度在整个磁尾中变化很大;在火星的光学阴影内,平均密度通常为20-50 /cc,而在光学阴影外,平均密度可以达到100 /cc。观察到整个尾部测量的平均密度的标准偏差为100%。对局部磁场拓扑结构的分析表明,在火星光学阴影内观察到的热电子可能来自夜侧电离层,而在光学阴影外观察到的电子可能来自昼侧电离层。最后,当最强的地壳磁场指向太阳时,火星光学阴影内的热电子被观测到的可能性比指向尾部时高出20%。
2021-03-18 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Structure of the Martian dayside magnetosphere: two types
火星大气和挥发物演变航天器上的一整套具有高时间分辨率测量的科学仪器使人们得以研究火星昼侧磁层的结构和特性。在第一个火星轨道器上发现了昼侧等离子体包层(Vaisberg等人,1976年,Gringauz等人,1976年),但只有MAVEN仪器的高时间和质量分辨率才能研究昼侧磁层等离子体的结构和过程,该等离子体层存在于受冲击的太阳风和电离层之间(Vaisberg等人,2017年)。研究发现,在不同的昼侧条件下,磁鞘和电离层之间形成两种不同的等离子体层:(1)加热的电离层离子和能量拾取的外电离层离子的混合物;(2)加速的电离层离子群层,它形成羽流形成的低能量部分。第一种类型的火星昼侧磁层是由来自外逸层的氧离子与火星电离层顶部的相互作用形成的(Vaisberg和Shuvalov,2021年)。磁鞘流和电离层之间的第二等离子体层形成于初始的低能量部分的羽流,该羽流被加速并在磁鞘中继续。在本文中,我们展示了典型的等离子体人口,他们的属性和条件,导致形成的昼侧磁层主要从电离层上层提供的材料。作为附件,我们包括115日侧磁层交叉的两种类型的分析文件。
2021-10-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
Effective dose equivalent estimation for humans on Mars
本文利用MCNP6构建火星辐射环境模型,并结合ICRP体素人体模型和好奇号RAD实测数据,估算了火星表面任务中的器官剂量与有效剂量当量,评估了长期驻留的辐射可行性。
2024-09-03 physics.space-ph
Energy relaxation in superthermal collisions of carbon with oxygen: the influence of isotopic substitution
本研究计算 C($^3$P)+O($^3$P) 高精度势能曲线及弹性碰撞截面,证明氧不能替代碳,并量化同位素组合对火星碳逃逸建模的影响。
2025-08-18 astro-ph.EP physics.atom-ph physics.space-ph
Escape and evolution of Mars' CO2 atmosphere: Influence of suprathermal atoms
用蒙特卡罗模型,我们调查了火星大气中的热氧和碳的逃逸在其历史上的四个时间点对应于1,3,10和20倍,目前的太阳EUV通量。我们研究和讨论了热层中热氧和碳原子的不同来源以及它们随着EUV通量的变化而变化的重要性。由于更高的EUV通量导致的更高密度而导致的生产率的增加与热层的膨胀和相应的碰撞增加相竞争。我们发现,由于光解离的逃逸随EUV能级的增加而增加。然而,对于通过一些其他反应的逃逸,例如~ O $_2^+$的解离复合,这仅在EUV水平达到当前EUV通量的10倍之前是真实的,并且然后速率开始降低。此外,我们的研究结果表明,火星在诺亚纪末期不可能有稠密的大气层,因为这样的大气层直到今天才能够逃逸。在前诺亚时代,大部分的岩浆海洋和火山活动相关的脱气CO $_2$大气可能已经失去了热,直到诺亚时代,当非热损失过程,如超热原子逃逸成为主导。因此,早期的火星在前诺亚纪时期可能是炎热潮湿的,在行星起源后的前3亿年期间,表面CO $_2$压力大于1巴。
2019-11-07 astro-ph.EP physics.space-ph
Climatology of Mars Topside Ionosphere during Solar Cycles 24 and 25 using MAVEN Dataset of 2015-2024
本研究利用MAVEN 2015-2024年长期数据首次揭示第24和25太阳活动周期间火星北半球顶部电离层的气候学变化,发现太阳极大期时昼侧和夜侧密度显著增强,并量化了各离子成分的增幅及峰值高度抬升。
2025-07-03 physics.space-ph
Feasibility assessment of optical communications between ground and satellite on Mars through the simulation of atmospheric effects on signal quality leading to a proposal for a new communications network architecture during extreme weather
本研究通过计算机仿真评估极端火星沙尘暴天气下地面与卫星间光通信的可行性,基于Mars Reconnaissance Orbiter和LCRD数据,提出了一种确保极端天气连通性的新通信网络架构。
2025-04-29 astro-ph.EP astro-ph.IM eess.SP