[论文解读] Observations of Extreme ICME Ram Pressure Compressing Mercury's Dayside Magnetosphere to the Surface

R. M. Winslow, Noé Lugaz+7 more|University of New Hampshire Scholars Repository (University of New Hampshire at Manchester)|Mar 1, 2019

Astro and Planetary Science被引用 4

一句话总结

本研究基于信使号探测器的直接观测，揭示了一次极端行星际日冕物质抛射（ICME）使水星白天磁层压缩至行星表面的现象，该现象由磁场强度提升40%及外层大气中钠离子通量增强所证实。该事件表明，ICME产生的高冲压可使水星微弱磁层完全坍缩，从而实现等离子体与表面的直接相互作用，驱动大气溅射，对围绕M型恒星运行的热木星类系外行星的大气损失具有重要意义。

ABSTRACT

Mercury's magnetosphere is known to be affected by enhanced ram pressures and magnetic fields inside interplanetary coronal mass ejections (ICMEs). Here we report detailed observations of an ICME compressing Mercury's dayside magnetosphere to the surface. A fast CME launched from the Sun on November 29 2013 impacted first MESSENGER, which was orbiting Mercury, on November 30 and later STEREO-A near 1 AU on December 1. Following the ICME impact, MESSENGER remained in the solar wind as the spacecraft traveled inwards and northwards towards Mercury's surface until it reached and passed its closest approach to the planet (at 371 km altitude) without crossing into the magnetosphere. The magnetospheric crossing finally occurred 1 minute before reaching the planet's nightside at 400 km altitude and 84$^\circ$N latitude, indicating the lack of dayside magnetosphere on this orbit. In addition, the peak magnetic field measured by MESSENGER at this time was 40% above the values measured in the orbits just prior to and after the ICME, a consequence of the magnetospheric compression. Using both a proxy method at Mercury and measurements at STEREO-A, we show that the extremely high ram pressure associated with this ICME was more than high enough to collapse Mercury's weak magnetosphere. As a consequence, the ICME plasma likely interacted with Mercury's surface, evidenced by enhanced sodium ions in the exosphere. The collapse of Mercury's dayside magnetosphere has important implications for the habitability of close-in exoplanets around M dwarf stars, as such events may significantly contribute to planetary atmospheric loss in these systems.

研究动机与目标

• 研究在一次罕见且高强度的极端事件中，极端ICME冲压对水星磁层的影响。
• 确定在极端太阳风条件下，水星白天磁层是否可被完全压缩至行星表面。
• 将磁层坍缩与通过直接等离子体-表面相互作用导致的外层大气钠离子增强生产联系起来。
• 评估此类磁层坍缩对围绕M型恒星运行的热木星类系外行星大气逃逸的影响。
• 验证利用远程与原位测量手段检测极端空间天气事件中磁层边界坍缩的可行性。

提出的方法

• 分析信使号第2577次轨道飞行期间的磁层与等离子体数据，该轨道在ICME通过期间飞越水星表面以上371公里处。
• 利用STEREO-A的原位太阳风测量数据估算1 AU处ICME冲压，并通过代理方法外推至水星轨道。
• 将信使号磁层顶穿越时间与磁层强度变化与ICME前后条件进行对比，识别压缩效应。
• 将FIPS（快速成像等离子体谱仪）观测到的钠离子数据与磁层边界行为进行相关分析，评估溅射驱动的外层大气增强。
• 应用水星磁层边界（磁层顶与弓激波）的经验模型，估算在极端冲压条件下磁层顶的脱离距离。
• 基于信使号ICME数据集（69次事件）的统计缩放，估算太阳极大期期间磁层坍缩事件的发生频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 ICME冲压在多大程度上可将水星白天磁层压缩至行星表面？
• RQ2 在2013年11月ICME事件中，有哪些证据表明磁层顶位于或低于水星表面？
• RQ3 磁层坍缩如何影响水星外层大气中钠离子的生成？
• RQ4 此类磁层坍缩对围绕M型恒星运行的热木星类系外行星的大气损失有何影响？
• RQ5 基于信使号观测，此类极端压缩事件在太阳极大期期间可能在水星上多频繁发生？

主要发现

• 信使号在371公里高度观测到磁场强度提升40%，表明水星磁层被极端压缩至行星表面。
• 磁层边界在距离最近点前1分钟才在400公里高度、北纬84°处穿越，证实此次轨道飞行期间白天磁层完全缺失。
• ICME冲压超过86 nPa，达到预计使水星磁层坍缩的阈值，且为水星历史上测得的最高值。
• FIPS数据显示，在峰值压缩期间，白天赤道区域无Na+，与磁层坍缩一致；后续轨道中Na+密度显著增加，表明溅射增强。
• 该事件提供了直接证据，表明ICME等离子体可直接撞击水星低纬度表面，从而开启一种新的外层大气钠生成机制。
• 本研究估算，约30%的受ICME影响的信使号轨道经历了磁层坍缩，预计在贝皮科洛姆博任务的水星标准任务期间将发生约10次此类事件。