發(fā)現(xiàn)兩種“風(fēng)”共同驅(qū)動(dòng)了火星電離層電流 |高佳維等-NC

早在1722年，英國(guó)物理學(xué)家喬治·格雷厄姆（George Graham）通過(guò)觀察磁針的方向變化注意到地磁場(chǎng)在一天內(nèi)存在規(guī)律性的變化，即地磁場(chǎng)日變化，并推測(cè)這些變化可能與存在空間電流有關(guān)。19世紀(jì)20年代，挪威科學(xué)家克里斯蒂安·伯克蘭（Kristian Birkeland）提出了電離層電流的概念，他認(rèn)為太陽(yáng)電磁輻射能電離高層大氣，形成電離層。在這個(gè)電離層中，高層大氣的潮汐運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)帶電粒子與地磁場(chǎng)發(fā)生切割作用，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了電離層電流。進(jìn)入衛(wèi)星時(shí)代以來(lái)，人們通過(guò)大量衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如SWARM，CHAMP等地磁衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，能較為準(zhǔn)確地獲得電離層電流的空間分布和及其隨時(shí)間變化的規(guī)律（圖1）。

圖1 （左）由CM6模型給出電離層電流分布圖；（右）地球電離層電流體系示意圖

與地球不同，火星沒(méi)有全球性的偶極磁場(chǎng)，但廣泛分布有較強(qiáng)的巖石剩磁，外部太陽(yáng)風(fēng)會(huì)直接與火星大氣/電離層發(fā)生相互作用。此外火星也同樣存在有大氣，也同樣存在由太陽(yáng)電磁輻射加熱驅(qū)動(dòng)的高層大氣潮汐風(fēng)場(chǎng)及電離層。那火星是否也存在有類(lèi)似地球一樣的電離層電流？假若存在，其物理成因是否也與地球電離層電流的一致？

利用諸如MGS和MAVEN等衛(wèi)星的磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，已有不少學(xué)者推測(cè)火星也應(yīng)存在類(lèi)似地球一樣的電離層電流體系。有人提出火星的電離層電流體系是由電離層上面的太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)的。外部太陽(yáng)風(fēng)與火星電離層的直接相互作用會(huì)形成感應(yīng)磁層（如圖2a所示），其中磁層頂電流會(huì)流入到火星電離層高度處，使得火星電離層中具有太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)形成的感應(yīng)電流（Induced current）。也有人提出，火星高層大氣的中性風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)了電離層電流。盡管我國(guó)祝融號(hào)火星車(chē)和美國(guó)InSight火星車(chē)的火星表面磁場(chǎng)探測(cè)器都證實(shí)了火星表面磁場(chǎng)存在日變化（圖2b），但目前人們依舊缺乏在電離層高度對(duì)電離層磁場(chǎng)或電流的直接觀測(cè)。

準(zhǔn)確刻畫(huà)火星電離層電流體系有助于深入理解太陽(yáng)與火星之間的物質(zhì)能量交換過(guò)程，以及火星離子的加速和逃逸機(jī)制。此外，通過(guò)對(duì)火星電離層電流體系的研究，可以使人們進(jìn)一步理解非磁化行星的空間環(huán)境形成機(jī)理，對(duì)例如金星，木衛(wèi)六Titan，以及系外行星的空間環(huán)境研究也有一定的啟示作用。

圖2 （左）火星感應(yīng)磁層電流體系示意圖，其主要由磁層頂電流體系和磁尾電流體系構(gòu)成；（右）InSight火星車(chē)觀測(cè)的火星表面磁場(chǎng)隨地方時(shí)的變化

圖3 火星電離層高度的磁場(chǎng)（a-f）和電流（g-l）在太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)坐標(biāo)系下分布。（a-f）電離層高度磁場(chǎng)三分量在150km和250km的分布規(guī)律；（g-l）電離層高度電流三分量在150 km和250 km的分布規(guī)律

為了揭示火星電離層電流體系的分布，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所高佳維博士后與合作導(dǎo)師戎昭金研究員、魏勇研究員等首次刻畫(huà)了火星電離層高度的磁場(chǎng)和電流分布特征。由于火星擁有區(qū)域性的巖石剩磁，為了避免巖石磁場(chǎng)對(duì)空間電流體系的干擾，他們根據(jù)MAVEN衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，僅使用了無(wú)顯著巖石剩磁區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算了電離層電流和電場(chǎng)的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明火星的電離層電流主要沿著水平方向分布，而垂直方向電流強(qiáng)度較小。火星的電離層中同時(shí)存在兩種電流體系。一種是由電離層上方的太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)的電流主要沿著太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)的方向（圖3），并伴隨著晨昏的電流不對(duì)稱(chēng)性。另一種由電離層下方的中性潮汐風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的，其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)的電流分布與年平均的中性風(fēng)場(chǎng)分布形態(tài)近似相同，由晨側(cè)赤道處沿高緯度傳輸至昏側(cè)赤道處，并伴有季節(jié)性的電流強(qiáng)度變化。通過(guò)求解電離層電動(dòng)力學(xué)方程 ，研究表明火星電離層中電場(chǎng)項(xiàng)（）要比漂移項(xiàng)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在無(wú)巖石剩磁區(qū)域，電離層電場(chǎng)是電離層電流的主要驅(qū)動(dòng)源。此外，目前對(duì)火星的中性風(fēng)場(chǎng)缺乏實(shí)際觀測(cè)，他們還提出了一種利用電離層電流來(lái)反演火星大氣平均風(fēng)場(chǎng)的方法（圖4），其結(jié)果與MGCM火星大氣模式導(dǎo)出的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果在全球分布上非常接近，證明了利用衛(wèi)星磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演大氣風(fēng)場(chǎng)的可行性。

圖4 （上）由電離層電流推導(dǎo)的火星大氣風(fēng)場(chǎng)；（下）由MGCM模型在150km高度給出的大氣風(fēng)場(chǎng)分布圖

研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊NC（Jiawei Gao, Shibang Li, Anna Mittelholz, Zhaojin Rong, Moa Persson. Zhen Shi, Haoyu Lu, Chi Zhang, Xiaodong Wang, Chuanfei Dong, Lucy Klinger, Jun Cui, Yong Wei, Yongxin Pan. Two distinct current systems in the ionosphere of Mars[J]. Nature communications,2024,15: 9704. DOI: 10.1038/s41467-024-54073-9.）。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（42304186, 42388101）、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重要部署項(xiàng)目課題（IGGCAS-201904, IGGCAS-202102），以及博士后面上基金（2023M743466）等項(xiàng)目的共同資助。

編輯：萬(wàn)鵬