文章轉載自“中國科學地球科學”
“天問”系列（Tianwen）是中國行星探測任務的總稱。中國首次火星探測任務—— “天問一号”揭開了新時代中國行星探測的序幕。系列名稱源自中國偉大詩人屈原的長詩《天問》，表達了中華民族追求真理的堅韌與執着，展現了國人探索自然和宇宙空間的文化延續與精神傳承，寓意探知科學真理的征途漫長修遠、追求科技創新的求索精神将永無止境。“天問一号”奔火階段為期三個月的連續太陽風監測，與美國、歐洲同期火星探測任務形成互補，為多衛星聯合探測、合作揭示太陽活動與火星氣候變化的關系提供重要幫助。
由中國科學院地質與地球實體研究所、中國科學院國家空間中心、德國馬克思普朗克太陽系研究所、中山大學、北京大學等國内外知名科研院所的專家團隊共同合作完成的“天問一号”火星離子和中性粒子分析儀等離子體資料分析工作揭示了火星上遊300萬至2600萬公裡、長達三個月的連續太陽風等離子體變化規律。研究工作将2020年10月31日至2021年1月25日“天問一号”位于地-火轉移軌道(圖1)期間的太陽風等離子體觀測結果與美國、歐洲多顆衛星資料進行對比，研究發現太陽活動較弱時期的遠距離上遊太陽風與火星處太陽風平均狀态下的等離子體參數接近，為研究太陽風-火星大氣的互相作用過程提供了寶貴觀測資料。研究結果表明“天問一号”軌道器上搭載的火星離子和中性粒子分析儀觀測資料可靠，儀器運作穩定。目前，中國“天問一号”與美國國家航空航天局火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)、歐洲航天局“火星快車”（Mars Express）任務均環繞火星對火星空間和太陽風開展離子和磁場探測。中、美、歐三顆衛星的同期探測，開啟了多點聯合觀測太陽風-火星大氣互相作用過程的新時代。
圖1“天問一号”在2020年10月31日至2021年1月25日奔火階段位置圖
藍色、黑色、紅色和橙色的圓點分别表示地球、“天問一号”、火星和太陽在HAE坐标系中的位置，小箭頭标記對應物體的運動方向。“天問一号”僅标出有太陽風觀測資料的時段
中國首次火星探測計劃——“天問一号”于2020年7月23日發射升空，在地火轉移軌道飛行202天後，于2021年2月10日抵達環火軌道。“天問一号”由軌道器、着陸器和“祝融号”火星車三部分組成。“天問一号”的主要科學目标包括揭示火星水、大氣演化曆史、進一步探索火星水與大氣逃逸過程與古氣候演變曆史。太陽風是火星大氣逃逸和表面液态水損失的主要能量來源之一，擷取火星上遊太陽風觀測資料對于認識火星氣候演化程序、揭示火星古氣候“大災變”事件成因存在重要意義。“天問一号”奔火階段對火星上遊太陽風進行了長達三個月的連續監測，同期美國和歐洲的衛星均在火星空間環境中執行探測任務，三顆衛星形成了國際學術界期盼已久的多任務聯測。
“天問一号”軌道器上搭載的火星離子和中性粒子分析儀由中國科學院國家空間科學中心空間環境探測重點實驗室研制，旨在探測行星際及火星空間環境中的離子和能量中性粒子。火星離子和中性粒子分析儀能夠區分不同離子種類，例如H+、He+、O+、O2+和CO2+等離子成分，并且能夠從火星能量中性粒子的測量中解析出氫原子和氧原子兩種成分。儀器能量測量範圍為2.8 eV至25.9 keV，時間分辨率最高可達4秒，與國際同類等離子體觀測儀器性能持平。本項研究聚焦于開發一套基于微分能流通量資料（圖2）計算分析太陽風等離子體參數的可靠方法，進而擷取太陽風和火星空間的等離子體基本參數。
圖22020年11月1日太陽風觀測與噪聲壓制後的結果
(a)和(b)為原始探測資料, (c)和(d)為噪聲壓制後的信号.網格展示了儀器16°×16°視場角；顔色代表測量的太陽風微分能流通量
分析過程包括資料噪聲壓制（圖2）、儀器視場評估、可靠資料篩選和等離子體參數計算等環節，最終成功從“天問一号”的觀測資料中解析出火星上遊2600萬公裡太陽風等離子體資訊。篩選出可供對比的太陽風密度、速度時間範圍由圖3紅色方框标注。研究發現，“天問一号”觀測資料計算出的太陽風等離子體參數與美國OMNI資料庫、美國MAVEN和歐洲“火星快車”任務觀測的太陽風等離子體參數符合較好（圖4和圖5）。研究結果表明，即使“天問一号”火星離子和中性粒子分析儀的探測視場在地火轉移階段受到着陸器一定程度的遮擋，依舊給出了可靠的太陽風觀測資料。
圖32020年10月31日至2021年1月25日奔火階段太陽風能譜圖
圖42020年10月31日至2021年1月25日期間太陽風質子速度(a)和密度(b)觀測結果
圖5不同來源的太陽風觀測記錄對比結果
(a) “火星快車”2005年4月至2013年7月，共2462個軌道太陽風觀測結果；(b) MAVEN 2014年10月至2020年10月，共8412條軌道太陽風觀測資料；（c）“天問一号”奔火階段為期3個月的原位太陽風探測資料(10分鐘平均)
2021年11月，“天問一号”火星離子和中性粒子分析儀開始了新一輪環火軌道的階段性探測。與此同時，MAVEN、“火星快車”也将按照其相應探測計劃繼續監測火星空間等離子體和磁場資訊。未來的火星年中，“天問一号”與MAVEN、“火星快車”的同期聯測資料有望為研究火星離子逃逸以及火星大氣演化曆史帶來全新的機遇。
文章出版資訊
中文版:範開,闫麗梅,魏勇,張愛兵,孔令高, Fr nz M,何飛,柴立晖,袁憧憬,王譽棋,鐘俊,戎昭金,堯中華,潘永信,崔峻,何建森,李文亞,唐斌斌,王赤. 2022.基于“天問一号”、“火星快車”、MAVEN衛星觀測的火星上遊太陽風等離子體特征對比.中國科學:地球科學, 52, doi: 10.1360/N072021-0344