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高速太阳风遇到行星时，通常会在行星上游形成弓激波。太阳风在此偏转、加热并减速进入磁鞘。在传统认识中，磁鞘是太阳风流由“高速”向“低速”转变的区域。然而，在某些太阳风条件下，已经减速的太阳风离子却在磁鞘中再次加速，速度甚至可超过上游太阳风速度。这种“大尺度再加速”现象此前仅在地球上被观测到。不同于地球，火星没有全球性的内禀磁场，太阳风在磁鞘区域是否也有类似的再加速现象，仍然是未解之谜。
中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）太阳活动与空间天气全国重点实验室太阳系探测研究团队，综合利用火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）、天问一号（Tianwen-1）和火星快车（MEX）的观测数据，并结合多流体磁流体力学（MHD）模拟，系统研究了火星磁鞘在低阿尔芬马赫数（MA）这一磁场动力学作用相对更强的特殊太阳风条件下的响应特征。
研究团队抓住行星际日冕物质抛射（ICME）期间出现的低MA太阳风条件，从MAVEN的连续观测中识别出磁鞘质子速度的多次增强，局地质子速度最高可达上游太阳风速度的~150%，这一现象也得到天问一号和MEX观测的交叉印证（图1）。比对低MA太阳风下地球磁鞘质子的特征，并借助MHD模拟，研究团队揭示J×B力是质子大尺度加速的主要驱动力。这些结果证实了同类型的加速现象不仅存在于地球，也可发生于火星。
图1 火星磁鞘质子加速事件的多卫星联合观测。
针对MAVEN十余年的观测，进一步的统计研究证实质子加速的发生率和加速程度均存在显著的±E半球不对称性。行星重离子的质量加载，尤其是与+E半球羽流逃逸相关的质量加载过程，会对质子产生额外的减速作用，抑制+E半球的质子加速，从而形成火星独具特色的半球不对称响应。与此同时，MHD模拟展示火星远磁尾横截面明显的轴向不对称：±E方向受到压缩，而其垂直方向发生拉伸；这一结果得到天问一号远磁尾观测数据的证实（图2）。
图2 低MA太阳风下火星夜侧磁尾的压缩与不对称。
该研究将低MA太阳风与行星相互作用的认知，从具有全球性内禀磁场的地球拓展到无全球内禀磁场的火星，为理解不同类型行星在低MA太阳风条件下的空间环境响应提供了新的观测和理论依据。论文第一作者为空间中心特别研究助理乔富豪，通讯作者李磊研究员和谢良海研究员。
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