最新研究揭示火星電離層電流分布特征

中國科學院地質與地球物理研究所高佳維博士后與其合作導師戎昭金研究員、魏勇研究員等首次刻畫了火星電離層中的磁場和電流分布特征。相關研究論文近日發表在《自然·通訊》上。

火星感應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成。

與地球一樣，火星也存在大氣，存在由太陽電磁輻射加熱驅動的高層大氣潮汐風場及電離層。但與地球不同的是，火星沒有全球性的偶極磁場，卻廣泛分布著較強的巖石剩磁。外部太陽風會直接與火星大氣或電離層發生相互作用。

那么，火星是否也存在與地球類似的電離層電流？假若存在，其物理成因是否也與地球電離層電流的一樣？

此前，有不少學者推測火星應該存在類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風驅動。也有人提出，火星高層大氣的中性風場會驅動電離層電流。“包括我國祝融號在內的火星表面磁場探測器的觀測數據都證實了火星表面磁場是存在著日變化的，但目前人們依舊缺乏對火星電離層磁場或電流的直接認識。”戎昭金說，“為了了解火星電離層電流的真實分布特征，我們開展了此次研究。”

為了避免巖石剩磁對空間電流體系的干擾，研究團隊根據MAVEN衛星的觀測數據進一步計算了電離層中電流、電場的分布規律。結果表明，火星電離層電流主要沿著水平方向分布，而垂直方向電流強度較小。

研究團隊發現，火星電離層中同時存在著兩種電流體系。一種是由電離層上方的太陽風直接驅動的電流，其主要沿著太陽風電場的方向，并呈現出晨昏不對稱性。另一種是由電離層下方的中性潮汐風場驅動的電流，其分布與火星大氣中性風場的分布形態近似相同，由晨側赤道處沿高緯度傳輸至昏側赤道處，并伴有季節性的電流強度變化。

此外，他們還提出了一種利用電離層電流來反演火星大氣平均風場的方法，其結果與火星大氣環流模式導出的風場結果在全球分布上非常接近，證明了利用衛星磁場數據反演大氣風場的可行性。

此次研究有助于深入理解太陽與火星之間的物質能量交換過程，以及火星大氣離子的加速和逃逸機制。“此外，還可增進對非磁化行星空間環境形成機理的理解，對研究諸如金星、泰坦以及系外行星的空間環境也有一定啟示意義。”論文第一作者高佳維表示。