中国科技大学利用火星上的波动观测对合声波激发理论模型进行测试

合声波是广泛存在于地球和其他行星磁层中的一种电磁波动。将其电磁信号转化为声音后听起来像清晨群鸟的合唱声，因此得名合声波。合声波能够通过共振的方式加速空间中的高能电子，在磁暴活动期间引发地球辐射带电子通量的快速上升；同时，它还能够将空间中的高能电子散射到大气层中，形成弥散和脉动极光现象。

合声波的一个特征是其频谱通常呈现出窄带的快速扫频结构。该扫频结构的激发机制引起了人们几十年来的广泛兴趣，科学家们对此提出了多种理论模型。然而，关于合声波为何会出现扫频以及如何计算扫频率的问题一直存在争议。其中一个主要争论点是背景磁场的不均匀度是否在合声波的扫频中起到关键作用，以及这种不均匀度如何影响合声波的扫频现象。此前中国科大团队提出的合声波 “Trap-Release-Amplify”（TaRA）模型基于现代等离子体物理理论，认为磁层中合声波的扫频是非线性过程与背景磁场不均匀度共同作用的结果，并提供了相应的扫频率计算公式。然而地球磁层中的磁场不均匀度变化有限，无法在更大的参数空间内对TaRA模型开展测试。

火星与地球之间存在截然不同的磁场环境：地球拥有全球性的类偶极磁场，而火星则只存在局地的岩石剩磁。在火星的剩磁环境中，MAVEN卫星也曾观测到类似合声波事件。图1展示了在火星和地球上观测到的波动事件以及相应的背景磁力线轨迹。通过计算可以发现，火星与地球的背景磁场不均匀度相差了五个数量级。通过对比研究地球和火星上的波动事件，可以在更加极端的条件下测试此前所提出的TaRA模型。

图1.火星和地球上的磁力线位型以及观测到的合声波频率-时间谱图。

本研究基于MAVEN卫星对火星粒子分布的观测，结合相应的火壳剩余磁场模型，采用基于第一性原理的粒子模拟方法，成功重现了火星上观测到的类合声波动现象。通过对粒子相空间分布的分析，确认了这种波动的扫频过程与地球上的合声波一致，都是由非线性过程引发的。此外，该研究进一步使用TaRA模型提供的两种不同方法来计算合声波的扫频率，并将其与观测和模拟结果进行了对比。研究发现基于非线性过程和背景磁场不均匀度计算出的扫频率与模拟结果之间存在高度一致性。本研究结果表明，尽管火星和地球拥有截然不同的磁场和等离子体环境，但在火星上观测到的类合声波动与地球磁层中的合声波动遵循相同的基本物理过程。同时，本研究还在磁场不均匀度相差五个数量级的极端条件下验证了TaRA模型所描述的扫频基本物理过程的广泛适用性。这一发现不仅确认了火星上存在合声波动，也为在极端条件下验证和应用TaRA模型提供了重要支持。