发现两种“风”共同驱动了火星电离层电流 |高佳维等-NC

早在1722年，英国物理学家乔治·格雷厄姆（George Graham）通过观察磁针的方向变化注意到地磁场在一天内存在规律性的变化，即地磁场日变化，并推测这些变化可能与存在空间电流有关。19世纪20年代，挪威科学家克里斯蒂安·伯克兰（Kristian Birkeland）提出了电离层电流的概念，他认为太阳电磁辐射能电离高层大气，形成电离层。在这个电离层中，高层大气的潮汐运动带动带电粒子与地磁场发生切割作用，进而驱动产生了电离层电流。进入卫星时代以来，人们通过大量卫星的观测数据，如SWARM，CHAMP等地磁卫星的数据，能较为准确地获得电离层电流的空间分布和及其随时间变化的规律（图1）。

图1 （左）由CM6模型给出电离层电流分布图；（右）地球电离层电流体系示意图

与地球不同，火星没有全球性的偶极磁场，但广泛分布有较强的岩石剩磁，外部太阳风会直接与火星大气/电离层发生相互作用。此外火星也同样存在有大气，也同样存在由太阳电磁辐射加热驱动的高层大气潮汐风场及电离层。那火星是否也存在有类似地球一样的电离层电流？假若存在，其物理成因是否也与地球电离层电流的一致？

利用诸如MGS和MAVEN等卫星的磁场观测数据，已有不少学者推测火星也应存在类似地球一样的电离层电流体系。有人提出火星的电离层电流体系是由电离层上面的太阳风驱动的。外部太阳风与火星电离层的直接相互作用会形成感应磁层（如图2a所示），其中磁层顶电流会流入到火星电离层高度处，使得火星电离层中具有太阳风驱动形成的感应电流（Induced current）。也有人提出，火星高层大气的中性风场驱动了电离层电流。尽管我国祝融号火星车和美国InSight火星车的火星表面磁场探测器都证实了火星表面磁场存在日变化（图2b），但目前人们依旧缺乏在电离层高度对电离层磁场或电流的直接观测。

准确刻画火星电离层电流体系有助于深入理解太阳与火星之间的物质能量交换过程，以及火星离子的加速和逃逸机制。此外，通过对火星电离层电流体系的研究，可以使人们进一步理解非磁化行星的空间环境形成机理，对例如金星，木卫六Titan，以及系外行星的空间环境研究也有一定的启示作用。

图2 （左）火星感应磁层电流体系示意图，其主要由磁层顶电流体系和磁尾电流体系构成；（右）InSight火星车观测的火星表面磁场随地方时的变化

图3 火星电离层高度的磁场（a-f）和电流（g-l）在太阳风电场坐标系下分布。（a-f）电离层高度磁场三分量在150km和250km的分布规律；（g-l）电离层高度电流三分量在150 km和250 km的分布规律

为了揭示火星电离层电流体系的分布，中国科学院地质与地球物理研究所高佳维博士后与合作导师戎昭金研究员、魏勇研究员等首次刻画了火星电离层高度的磁场和电流分布特征。由于火星拥有区域性的岩石剩磁，为了避免岩石磁场对空间电流体系的干扰，他们根据MAVEN卫星的观测数据，仅使用了无显著岩石剩磁区域的观测数据，进一步计算了电离层电流和电场的分布规律。研究结果表明火星的电离层电流主要沿着水平方向分布，而垂直方向电流强度较小。火星的电离层中同时存在两种电流体系。一种是由电离层上方的太阳风驱动，其特点是驱动的电流主要沿着太阳风电场的方向（图3），并伴随着晨昏的电流不对称性。另一种由电离层下方的中性潮汐风场驱动的，其特点是驱动的电流分布与年平均的中性风场分布形态近似相同，由晨侧赤道处沿高纬度传输至昏侧赤道处，并伴有季节性的电流强度变化。通过求解电离层电动力学方程 ，研究表明火星电离层中电场项（）要比漂移项大几个数量级，因此在无岩石剩磁区域，电离层电场是电离层电流的主要驱动源。此外，目前对火星的中性风场缺乏实际观测，他们还提出了一种利用电离层电流来反演火星大气平均风场的方法（图4），其结果与MGCM火星大气模式导出的风场结果在全球分布上非常接近，证明了利用卫星磁场数据反演大气风场的可行性。

图4 （上）由电离层电流推导的火星大气风场；（下）由MGCM模型在150km高度给出的大气风场分布图

研究成果发表于国际学术期刊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.）。研究得到国家自然科学基金（42304186, 42388101）、中国科学院地质与地球物理研究所重要部署项目课题（IGGCAS-201904, IGGCAS-202102），以及博士后面上基金（2023M743466）等项目的共同资助。

编辑：万鹏