火星高層大氣（包括電離層和熱層）是了解整個火星大氣演化的重要基礎，是火星大氣逃逸的重要來源，是以成為火星探測的重要目标，國際上相關空間探測機構已對火星電離層進行了多次探測，如火星快車（Mars Express）、火星大氣和揮發分演化探測（MAVEN），“天問一号”。高層大氣的周日或逐日變化受低層大氣各種波動過程向上傳播的影響，這種擾動影響在短時間尺度上已有相關的事件研究，但長時間氣候學尺度的耦合過程研究并不清楚。MAVEN是第一個直接測量火星大氣的航天器，已經在軌道上積累了八年多的資料（2015-2022），為從氣候學尺度研究火星大氣的半球不對稱性提供了很好的條件。中國科學院地質與地球實體研究所地球與行星實體院重點實驗室樂會軍研究員等，首次利用MAVEN資料對低層大氣與高層大氣在氣候學上的耦合過程及其影響開展了研究。
他們根據太陽天頂角及火星到太陽距離的計算，發現：太陽EUV通量的季節變化最強出現在南半球高緯度地區，最弱出現在北半球低緯度地區。CO與CO2密度具有相同的變化特征（圖1）。觀測和模拟計算均表明，南半球的季節變化比北半球更顯著，因為火星到太陽的距離和太陽天頂角對太陽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，需要盡量減少太陽輻射本身的南北半球差異，是以他們首先統計分析了較低太陽活動（2016-2021）春分點附近（Ls在150至210之間）的資料。曲線拟合和中值結果表明，中性CO和CO2密度具有非常明顯的緯度結構（圖2）。最大密度位于赤道附近，随着南北半球緯度的增加，密度逐漸減小。這些結果也清楚地表明了中性大氣的南北不對稱性。總體而言，在較低太陽活動時期，北半球的中性密度高于南半球。
此外，他們分析了太陽活動較強時期（2014-2015）的觀測資料，結果也顯示出顯著的南北不對稱，但北半球的中性密度低于南半球。也就是說，高層大氣南北半球之間的差異在不同太陽活動期間有顯著差異。圖3給出了熱層大氣密度南北半球不對稱性随太陽輻射的變化。他們還統計分析了電離層電子密度的南北半球不對稱性，結果表明，與熱層中性大氣密度半球不對稱性一樣，電離層電子密度的半球不對稱性也有顯著的太陽活動依賴性，在較低太陽活動條件下，北半球電子密度大于南半球，随着太陽輻射增加，南半球電子密度逐漸超過北半球。但是，電離層電子密度與熱層中性大氣密度半球不對稱的轉換門檻值有差别，具體原因有待進一步研究。
圖1 MAVEN大氣密度資料顯示的火星大氣180 km高度處CO和CO2的季節變化
圖2 熱層CO與CO2密度在不同高度的緯度結構
圖3 熱層CO密度在南北半球不同緯度區域随太陽輻射的變化
衆所周知，火星的地形存在顯著的南北半球不對稱，火星的岩石剩餘磁場也存在很強的半球差異。一方面，火星地形的巨大半球差異以及随之而來的沙塵暴可能會導緻低層大氣波動過程也存在半球差異。低層大氣各種波動過程向上傳播并進入高層大氣影響其中的成分和密度。另一方面，火星磁場對高層大氣帶電粒子運動有直接的控制作用，進而可能影響高層大氣電子密度及中性大氣密度的分布。那麼MAVEN資料顯示的火星高層大氣南北半球不對稱性到底主要來自哪個方面？火星低層大氣在氣候學上如何影響高層大氣，現有的觀測資料不足，很難用這些資料研究低層大氣與高層大氣耦合過程中的半球差異。但是，行星磁場對高層大氣的影響了解得更多，已經有一些研究探讨了火星磁場對火星電離層和熱層的影響。此外，火星南北半球磁場的差異很大程度上取決于經度。在經度～120°與240°之間，南半球有很強的岩石剩餘磁場，而北半球磁場較弱。在其他經度區域，南北半球之間的磁場差異較小。這為檢驗磁場差異的影響提供了天然的實驗條件。是以，可以通過比較具有不同磁場差異的兩個區域的結果來檢驗行星磁場差異與電離層熱層南北不對稱性之間的關系。
通過分析高磁場差異和低磁場差異的結果，發現火星磁場的南北差異可能會在大于200 km的更高高度增加電子密度的南北差異，但對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有影響。由此可以得出初步結論，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稱性并不是由火星岩石剩餘磁場的南北差異造成的，而是與火星低層大氣波動過程的南北差異有關。火星北部和南部地形之間存在巨大差異，導緻低層大氣各種波動過程（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，通過低層大氣與高層大氣的耦合過程，将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性。對于這樣的低層大氣與高層大氣的耦合過程及其導緻的氣候學學上的半球差異，後續将結合觀測和模拟進一步揭示其主要實體過程。
圖4 南北半球高磁場差異區與低磁場差異區的電離層電子密度緯度變化比較
該研究通過對火星高層大氣緯度結構的氣候學統計研究，發現了顯著的南北半球不對稱性，在較低太陽活動期間，北半球的電離層電子密度及熱層中性氣體密度更大，随着太陽活動增加，南半球的電子密度和中性其他密度均逐漸超過北半球。通過分析發現這種不對稱性很可能來源于低層大氣的半球不對稱性，通過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學尺度的耦合過程和影響，對深入了解整個火星大氣的長期演化提供了重要參考。
研究成果發表于國際學術期刊JGR:Planets (樂會軍, 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B（XDB41000000），科技部重點研發計劃項目（2018YFC1503504），國家自然科學基金項目（(41822403、41774165）和中科院青年創新促進會等聯合資助。
美編：傅士旭
校對：萬鵬