研究揭示火星高层大气的南北不对称性成因本文转自：中科院之声火星高

本文转自：中科院之声
火星高层大气（包括电离层和热层）是理解整个火星大气演化的重要基础，是火星大气逃逸的重要来源，因此成为火星探测的重要目标，国际上相关空间探测机构已对火星电离层进行了多次探测，如火星快车（Mars Express）、火星大气和挥发分演化探测（MAVEN）、“天问一号” 。高层大气的周日或逐日变化受低层大气各种波动过程向上传播的影响，这种扰动影响在短时间尺度上已有相关的事件研究，但长时间气候学尺度的耦合过程研究并不清楚。MAVEN航天器是第一个直接测量火星大气的航天器，已经在轨道上积累了八年多的数据（2015-2022），为从气候学尺度研究火星大气的半球不对称性提供了很好的条件。中国科学院地质与地球物理研究所研究员乐会军等，利用MAVEN数据对低层大气与高层大气在气候学上的耦合过程及其影响开展了研究。
【研究揭示火星高层大气的南北不对称性成因】研究人员根据太阳天顶角及火星到太阳距离的计算，发现太阳EUV通量的季节变化最强出现在南半球高纬度地区，最弱出现在北半球低纬度地区。CO与CO2密度具有相同的变化特征（图1）。观测和模拟计算均表明，南半球的季节变化比北半球更显著，因为火星到太阳的距离和太阳天顶角对太阳EUV通量的影响在南半球方向相同，但在北半球方向相反。
为了进一步研究火星高层大气南北半球之间的差异，需要尽量减少太阳辐射本身的南北半球差异，因此研究人员统计分析了较低太阳活动（2016-2021）春分点附近（Ls在150至210之间）的数据。曲线拟合和中值结果表明，中性CO和CO2密度具有非常明显的纬度结构（图2）。最大密度位于赤道附近，随着南北半球纬度的增加，密度逐渐减小。这些结果清楚地表明中性大气的南北不对称性。总体而言，在较低太阳活动时期，北半球的中性密度高于南半球。
此外，研究人员分析了太阳活动较强时期（2014-2015）的观测数据，结果也显示出显著的南北不对称，但北半球的中性密度低于南半球。也就是说，高层大气南北半球之间的差异在不同太阳活动期间有显著差异。研究发现，热层大气密度南北半球不对称性随太阳辐射的变化（图3）。研究人员统计分析了电离层电子密度的南北半球不对称性，结果表明，与热层中性大气密度半球不对称性一样，电离层电子密度的半球不对称性也有显著的太阳活动依赖性，在较低太阳活动条件下，北半球电子密度大于南半球，随着太阳辐射增加，南半球电子密度逐渐超过北半球。但是，电离层电子密度与热层中性大气密度半球不对称的转换阈值有差别，具体原因有待进一步研究。
众所周知，火星的地形存在显著的南北半球不对称，火星的岩石剩余磁场也存在很强的半球差异。一方面，火星地形的巨大半球差异以及随之而来的沙尘暴可能会导致低层大气波动过程也存在半球差异。低层大气各种波动过程向上传播并进入高层大气，影响其中的成分和密度。另一方面，火星磁场对高层大气带电粒子运动有直接的控制作用，从而可能影响高层大气电子密度及中性大气密度的分布。那么MAVEN数据显示的火星高层大气南北半球不对称性到底主要来自哪个方面？火星低层大气在气候学上如何影响高层大气，现有的观测数据不足，很难用这些数据研究低层大气与高层大气耦合过程中的半球差异。但是，行星磁场对高层大气的影响理解得更多，已经有一些研究探讨了火星磁场对火星电离层和热层的影响。此外，火星南北半球磁场的差异很大程度上取决于经度。在经度～120°与240°之间，南半球有很强的岩石剩余磁场，而北半球磁场较弱。在其他经度区域，南北半球之间的磁场差异较小。这为检验磁场差异的影响提供了天然的实验条件。因此，可以通过比较具有不同磁场差异的两个区域的结果来检验行星磁场差异与电离层热层南北不对称性之间的关系。