火星高層大氣（包括電離層和熱層）是理解整個(gè)火星大氣演化的重要基礎(chǔ)，是火星大氣逃逸的重要來(lái)源，因此成為火星探測(cè)的重要目標(biāo)，國(guó)際上相關(guān)空間探測(cè)機(jī)構(gòu)已對(duì)火星電離層進(jìn)行了多次探測(cè)，如火星快車(chē)（Mars Express）、火星大氣和揮發(fā)分演化探測(cè)（MAVEN），“天問(wèn)一號(hào)”。高層大氣的周日或逐日變化受低層大氣各種波動(dòng)過(guò)程向上傳播的影響，這種擾動(dòng)影響在短時(shí)間尺度上已有相關(guān)的事件研究，但長(zhǎng)時(shí)間氣候?qū)W尺度的耦合過(guò)程研究并不清楚。MAVEN是第一個(gè)直接測(cè)量火星大氣的航天器，已經(jīng)在軌道上積累了八年多的數(shù)據(jù)（2015-2022），為從氣候?qū)W尺度研究火星大氣的半球不對(duì)稱(chēng)性提供了很好的條件。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室樂(lè)會(huì)軍研究員等，首次利用MAVEN數(shù)據(jù)對(duì)低層大氣與高層大氣在氣候?qū)W上的耦合過(guò)程及其影響開(kāi)展了研究。

他們根據(jù)太陽(yáng)天頂角及火星到太陽(yáng)距離的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)：太陽(yáng)EUV通量的季節(jié)變化最強(qiáng)出現(xiàn)在南半球高緯度地區(qū)，最弱出現(xiàn)在北半球低緯度地區(qū)。CO與CO₂密度具有相同的變化特征（圖1）。觀測(cè)和模擬計(jì)算均表明，南半球的季節(jié)變化比北半球更顯著，因?yàn)榛鹦堑教?yáng)的距離和太陽(yáng)天頂角對(duì)太陽(yáng)EUV通量的影響在南半球方向相同，但在北半球方向相反。

為了進(jìn)一步研究火星高層大氣南北半球之間的差異，需要盡量減少太陽(yáng)輻射本身的南北半球差異，因此他們首先統(tǒng)計(jì)分析了較低太陽(yáng)活動(dòng)（2016-2021）春分點(diǎn)附近（Ls在150至210之間）的數(shù)據(jù)。曲線擬合和中值結(jié)果表明，中性CO和CO₂密度具有非常明顯的緯度結(jié)構(gòu)（圖2）。最大密度位于赤道附近，隨著南北半球緯度的增加，密度逐漸減小。這些結(jié)果也清楚地表明了中性大氣的南北不對(duì)稱(chēng)性。總體而言，在較低太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)期，北半球的中性密度高于南半球。

此外，他們分析了太陽(yáng)活動(dòng)較強(qiáng)時(shí)期（2014-2015）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果也顯示出顯著的南北不對(duì)稱(chēng)，但北半球的中性密度低于南半球。也就是說(shuō)，高層大氣南北半球之間的差異在不同太陽(yáng)活動(dòng)期間有顯著差異。圖3給出了熱層大氣密度南北半球不對(duì)稱(chēng)性隨太陽(yáng)輻射的變化。他們還統(tǒng)計(jì)分析了電離層電子密度的南北半球不對(duì)稱(chēng)性，結(jié)果表明，與熱層中性大氣密度半球不對(duì)稱(chēng)性一樣，電離層電子密度的半球不對(duì)稱(chēng)性也有顯著的太陽(yáng)活動(dòng)依賴(lài)性，在較低太陽(yáng)活動(dòng)條件下，北半球電子密度大于南半球，隨著太陽(yáng)輻射增加，南半球電子密度逐漸超過(guò)北半球。但是，電離層電子密度與熱層中性大氣密度半球不對(duì)稱(chēng)的轉(zhuǎn)換閾值有差別，具體原因有待進(jìn)一步研究。

圖1 MAVEN大氣密度數(shù)據(jù)顯示的火星大氣180 km高度處CO和CO₂的季節(jié)變化

圖2 熱層CO與CO₂密度在不同高度的緯度結(jié)構(gòu)

圖3 熱層CO密度在南北半球不同緯度區(qū)域隨太陽(yáng)輻射的變化

眾所周知，火星的地形存在顯著的南北半球不對(duì)稱(chēng)，火星的巖石剩余磁場(chǎng)也存在很強(qiáng)的半球差異。一方面，火星地形的巨大半球差異以及隨之而來(lái)的沙塵暴可能會(huì)導(dǎo)致低層大氣波動(dòng)過(guò)程也存在半球差異。低層大氣各種波動(dòng)過(guò)程向上傳播并進(jìn)入高層大氣影響其中的成分和密度。另一方面，火星磁場(chǎng)對(duì)高層大氣帶電粒子運(yùn)動(dòng)有直接的控制作用，從而可能影響高層大氣電子密度及中性大氣密度的分布。那么MAVEN數(shù)據(jù)顯示的火星高層大氣南北半球不對(duì)稱(chēng)性到底主要來(lái)自哪個(gè)方面？火星低層大氣在氣候?qū)W上如何影響高層大氣，現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)不足，很難用這些數(shù)據(jù)研究低層大氣與高層大氣耦合過(guò)程中的半球差異。但是，行星磁場(chǎng)對(duì)高層大氣的影響理解得更多，已經(jīng)有一些研究探討了火星磁場(chǎng)對(duì)火星電離層和熱層的影響。此外，火星南北半球磁場(chǎng)的差異很大程度上取決于經(jīng)度。在經(jīng)度 120 與240 之間，南半球有很強(qiáng)的巖石剩余磁場(chǎng)，而北半球磁場(chǎng)較弱。在其他經(jīng)度區(qū)域，南北半球之間的磁場(chǎng)差異較小。這為檢驗(yàn)磁場(chǎng)差異的影響提供了天然的實(shí)驗(yàn)條件。因此，可以通過(guò)比較具有不同磁場(chǎng)差異的兩個(gè)區(qū)域的結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)行星磁場(chǎng)差異與電離層熱層南北不對(duì)稱(chēng)性之間的關(guān)系。

通過(guò)分析高磁場(chǎng)差異和低磁場(chǎng)差異的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)火星磁場(chǎng)的南北差異可能會(huì)在大于200 km的更高高度增加電子密度的南北差異，但對(duì)200 km以下電離層電子密度的南北差異和中性大氣密度基本沒(méi)有影響。由此可以得出初步結(jié)論，春秋兩季電離層和熱層的電子密度和中性大氣密度的南北不對(duì)稱(chēng)性并不是由火星巖石剩余磁場(chǎng)的南北差異造成的，而是與火星低層大氣波動(dòng)過(guò)程的南北差異有關(guān)?；鹦潜辈亢湍喜康匦沃g存在巨大差異，導(dǎo)致低層大氣各種波動(dòng)過(guò)程（例如重力波、潮汐和行星波）的南北差異以及低層大氣中的沙塵暴活動(dòng)，通過(guò)低層大氣與高層大氣的耦合過(guò)程，將低層大氣的半球差異上傳到高層大氣，引起高層大氣的南北不對(duì)性。對(duì)于這樣的低層大氣與高層大氣的耦合過(guò)程及其導(dǎo)致的氣候?qū)W學(xué)上的半球差異，后續(xù)將結(jié)合觀測(cè)和模擬進(jìn)一步揭示其主要物理過(guò)程。

圖4 南北半球高磁場(chǎng)差異區(qū)與低磁場(chǎng)差異區(qū)的電離層電子密度緯度變化比較

該研究通過(guò)對(duì)火星高層大氣緯度結(jié)構(gòu)的氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)了顯著的南北半球不對(duì)稱(chēng)性，在較低太陽(yáng)活動(dòng)期間，北半球的電離層電子密度及熱層中性氣體密度更大，隨著太陽(yáng)活動(dòng)增加，南半球的電子密度和中性其他密度均逐漸超過(guò)北半球。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)這種不對(duì)稱(chēng)性很可能來(lái)源于低層大氣的半球不對(duì)稱(chēng)性，通過(guò)低層大氣與高層大氣的耦合影響到高層大氣。研究揭示了火星低層大氣與高層大氣在氣候?qū)W尺度的耦合過(guò)程和影響，對(duì)深入理解整個(gè)火星大氣的長(zhǎng)期演化提供了重要參考。

研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊JGR:Planets (樂(lè)會(huì)軍, 劉立波,陳一定, 張輝. The north–south asymmetry of Martian ionosphere and thermosphere. Journal of Geophysical Research: Planets, 2022, 127, e2021JE007143. DOI: 10.1029/2021JE007143）。研究受中科院先導(dǎo)B（XDB41000000），科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC1503504），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（(41822403、41774165）和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等聯(lián)合資助。

美編：傅士旭

校對(duì)：萬(wàn)鵬