北京大学邹鸿课题组利用欧空局“火星快车（MEx）”的数据研究了火星夜侧壳层磁场区域的电离层TEC（Total Electron Content，总电子含量）结构，首次发现了cusp区域的TEC双峰现象，证明了这种现象和光电子日-夜侧输运、磁重联或电场加速等火星磁层中的物理过程有关。该研究从一个新的视角展现了火星电离层-磁层耦合的物理图像，为揭示火星夜侧等离子体环境的动态变化提供了新的启示。该研究以“Double-Peak Structures of Martian Nightside Total Electron Content in Strong Crustal Magnetic Cusp Regions”为题，发表在国际学术期刊Geophysical Research Letters（GRL）上。
火星夜侧电离层产生的主要机制是超热电子（superthermal electrons）在火星高层大气中的沉降。火星没有全球偶极磁场，只有一些被磁化后的壳层区域产生的遗留磁场。在壳层磁场较弱的区域，这些超热电子会相对比较均匀地沉降在高层大气，而在壳层磁场较强的区域（Lat: -25°~-85°, Lon: 165°~210°），这些超热电子则会被壳层磁场控制并汇集沉降到开放壳层磁场区域（即cusp区）。图1展示了早期人们利用MEx的MARSIS雷达对火星壳层磁场cusp区电离层的观测。可以看到，因为不均匀的电子沉降，火星电离层的电子密度在cusp区会更大[2]。
图1. A sketch of the ionospheric density structures that are thought to be responsible for the oblique ionospheric echoes [1].
本文[3]利用MEx卫星观测的火星电离层TEC数据，对火星壳层磁场cusp区的TEC结构进行了研究。研究发现，在超过一半的MEx穿越cusp区域的案例中（68:125），火星电离层TEC呈现了双峰结构，即在cusp区域的边缘TEC较高，而在cusp区域的中心TEC较低。图2展示了其中两个TEC双峰结构的观测。如前所述，超热电子沉降是火星电离层的主要能量来源，因此本文同时还使用了搭载于MEx卫星的ASPERA-3仪器对沉降电子的观测数据，这些数据一并展示在图2中。
图2. 对TEC双峰以及沉降电子的观测
本文发现，火星夜侧cusp区域的TEC双峰结构能够被向下沉降的电子通量所解释，而这些沉降的电子可能是从日侧输运到夜侧的光电子（如图2中的能谱b和d）或者被磁重联或者电场加速的电子（如图2中的能谱c）。关于这些物理过程如何使得向下沉降的电子通量呈现类似的双峰结构的问题则尚在研究之中。
北京大学地球与空间科学学院邹鸿教授为本文通讯作者，硕士研究生秦珺峰为第一作者。该文章的共同作者还包括北京大学地球与空间科学学院郝永强副教授，博士研究生叶雨光，瑞典空间物理研究所Yoshifumi Futaana研究员，中国气象局综合观测司王劲松研究员，以及马普所Erling Nielsen教授。该研究受到国家自然科学基金和CNSA民用航天预研项目的支持。
参考文献及论文链接
[1] Gurnett D A , Kirchner D L , Huff R L , et al. Radar Soundings of the Ionosphere of Mars[J]. Science, 2005, 310(5756):1929-1933.
[2] Zou H., Chen H., Shi W., et al., Effects of Martian crustal magnetic field on its ionosphere, Science China-Technological Sciences, 2010, 53(6): 1717-1724
[3] Qin, J., Zou, H., Futaana, Y., Ye, Y., Hao, Y., Nielsen, E., & Wang, J. (2021). Double-peak structures of Martian nightside total electron content in strong crustal magnetic cusp regions. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL092662.
https://doi.org/10.1029/2021GL092662
