發現兩種“風”共同驅動了火星電離層電流 |高佳維等-NC

早在1722年，英國物理學家喬治·格雷厄姆（George Graham）通過觀察磁針的方向變化注意到地磁場在一天內存在規律性的變化，即地磁場日變化，并推測這些變化可能與存在空間電流有關。19世紀20年代，挪威科學家克里斯蒂安·伯克蘭（Kristian Birkeland）提出了電離層電流的概念，他認為太陽電磁輻射能電離高層大氣，形成電離層。在這個電離層中，高層大氣的潮汐運動帶動帶電粒子與地磁場發生切割作用，進而驅動產生了電離層電流。進入衛星時代以來，人們通過大量衛星的觀測數據，如SWARM，CHAMP等地磁衛星的數據，能較為準確地獲得電離層電流的空間分布和及其隨時間變化的規律（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，火星沒有全球性的偶極磁場，但廣泛分布有較強的巖石剩磁，外部太陽風會直接與火星大氣/電離層發生相互作用。此外火星也同樣存在有大氣，也同樣存在由太陽電磁輻射加熱驅動的高層大氣潮汐風場及電離層。那火星是否也存在有類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等衛星的磁場觀測數據，已有不少學者推測火星也應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的。外部太陽風與火星電離層的直接相互作用會形成感應磁層（如圖2a所示），其中磁層頂電流會流入到火星電離層高度處，使得火星電離層中具有太陽風驅動形成的感應電流（Induced current）。也有人提出，火星高層大氣的中性風場驅動了電離層電流。盡管我國祝融號火星車和美國InSight火星車的火星表面磁場探測器都證實了火星表面磁場存在日變化（圖2b），但目前人們依舊缺乏在電離層高度對電離層磁場或電流的直接觀測。

準確刻畫火星電離層電流體系有助于深入理解太陽與火星之間的物質能量交換過程，以及火星離子的加速和逃逸機制。此外，通過對火星電離層電流體系的研究，可以使人們進一步理解非磁化行星的空間環境形成機理，對例如金星，木衛六Titan，以及系外行星的空間環境研究也有一定的啟示作用。

圖2 （左）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；（右）InSight火星車觀測的火星表面磁場隨地方時的變化

圖3 火星電離層高度的磁場（a-f）和電流（g-l）在太陽風電場坐標系下分布。（a-f）電離層高度磁場三分量在150km和250km的分布規律；（g-l）電離層高度電流三分量在150 km和250 km的分布規律

為了揭示火星電離層電流體系的分布，中國科學院地質與地球物理研究所高佳維博士后與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高度的磁場和電流分布特征。由于火星擁有區域性的巖石剩磁，為了避免巖石磁場對空間電流體系的干擾，他們根據MAVEN衛星的觀測數據，僅使用了無顯著巖石剩磁區域的觀測數據，進一步計算了電離層電流和電場的分布規律。研究結果表明火星的電離層電流主要沿著水平方向分布，而垂直方向電流強度較小。火星的電離層中同時存在兩種電流體系。一種是由電離層上方的太陽風驅動，其特點是驅動的電流主要沿著太陽風電場的方向（圖3），并伴隨著晨昏的電流不對稱性。另一種由電離層下方的中性潮汐風場驅動的，其特點是驅動的電流分布與年平均的中性風場分布形態近似相同，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。通過求解電離層電動力學方程 ，研究表明火星電離層中電場項（）要比漂移項大幾個數量級，因此在無巖石剩磁區域，電離層電場是電離層電流的主要驅動源。此外，目前對火星的中性風場缺乏實際觀測，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（圖4），其結果與MGCM火星大氣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。

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

研究成果發表于國際學術期刊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.）。研究得到國家自然科學基金（42304186, 42388101）、中國科學院地質與地球物理研究所重要部署項目課題（IGGCAS-201904, IGGCAS-202102），以及博士后面上基金（2023M743466）等項目的共同資助。

編輯：萬鵬