由于极易受到空间环境、尘暴活动、大气波动以及大气环流等因素的影响，火星高层大气是一个形成机理比较复杂，密度扰动相对较大，模式分析比较困难的区域。目前主流的火星大气模型（主要是以为主导的火星大气模型以及以为主导的火星大气模型）对高层大气的模拟都还存在一定的问题，不同模型的输出很难相互印证，并且由于对高层大气（特别是高纬地区高层大气）观测数据的缺乏，目前人们很难对这些现有的模型进行有效的调校或为新模型的建立提供充足的数据和理论支持。
针对以上问题，邹鸿课题组利用火星日侧电离层和中性大气的耦合关系，基于行星电离层的查普曼理论，提出了从火星日侧电离层剖面计算130km高度中性大气密度的方法，并将该方法应用到了MGS卫星对火星电离层的观测中[Zou et al., 2016; Qin et al., 2019]。在上述研究中，根据MGS观测的电离层剖面计算的火星高纬地区130km高度中性大气密度被用来和火星大气数据库MCD（Mars Climate Database，该数据库为大气模型MGCM在一定太阳辐射和尘暴活动背景下的输出结果）进行比较，并发现，火星大气数据库MCD的模拟结果总是比利用火星电离层剖面计算出的中性大气密度偏高约2×1010/cm3（见图1），从而提出了一个对MCD模拟结果的修正公式：N130_modified = 0.97·N130_MCD-1.94×1010/cm3。
图1. 在三个火星年中MCD对130km高度中性大气模拟结果（“·”）对比利用MGS卫星观测的电离层剖面计算的130km高度中性大气密度（“◇”），横坐标为太阳经度（反映火星的不同季节）
为进一步验证利用火星电离层计算130km中性大气密度的方法的正确性以及上述对MCD的修正公式的普适性，邹鸿课题组比较了MGS、ODY两颗卫星利用大气减速方法观测的火星130km中性大气密度与MCD的模拟结果。图2显示了MGS卫星的观测结果（红色）、MCD的模拟结果（蓝点）以及修正后的MCD的模拟结果（蓝色星号），图3显示了ODY卫星的观测结果（蓝色）、MCD的模拟结果（红点）以及修正后的MCD的模拟结果（红色星号）。可以看出，修正后的MCD模拟值与两颗卫星利用大气减速方方法对火星130km中性大气密度的观测值非常接近，这说明我们先前提出的对MCD模拟值的修正公式在不同的火星年和火星季节同样适用，也说明利用火星电离层观测计算130km中性大气密度的方法是正确的。本研究同时发现，MCD对于火星尘暴季高纬地区中高层大气密度的模拟还存在一些问题，尘暴季观测的高纬地区中高层大气密度波动较大，与修正后的MCD V4.3模拟结果存在一定的差异。
图2. MGS卫星利用大气减速对火星高纬地区130km高度中性大气密度的观测（红色）对比MCD的模拟结果（蓝色），“修正后”的MCD模拟结果为“未修正”的MCD的模拟结果减去2×1010/cm3
图3. ODY卫星利用大气减速对火星高纬地区130km高度中性大气密度的观测（蓝色）对比MCD的模拟结果（红色），‘修正后’的MCD模拟结果与图2定义一致。上图为outbound的观测，下图为inbound的观测。
该研究工作进一步证实了利用火星日侧电离层剖面计算130km高度中性大气密度方法的正确性，并且为MCD大气模型的使用和优化提供了一定的建议和方向。此研究（A method of estimating the Martian neutral atmospheric density at 130 km, and comparison of its results with Mars Global Surveyor and Mars Odyssey aerobraking observations based on the Mars Climate Database outputs）刊登在地球与行星物理（Earth and Planetary Physics）第4卷第4期。
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，地空学院郝永强副教授为本文的共同作者。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：
Zou, H., Ye, Y. G., Wang, J. S., Nielsen, E., Cui, J., and Wang, X. D. (2016). A method to estimate the neutral atmospheric density near the ionospheric main peak of Mars. J. Geophys. Res. Space Phys., 121(4), 3464-3475. https://doi.org/10.1002/2015JA022304.
Qin, J. F., Zou, H., Ye, Y. G., Yin, Z. F., Wang, J. S., and Nielsen, E. (2019). Effects of local dust storms on the upper atmosphere of Mars: Observations and simulations. J. Geophys. Res. Planets, 124(2), 602-616. https://doi.org/10.1029/2018JE005864.
Qin, J. F., Zou, H., Ye, Y. G., Hao, Y. Q., Wang, J. S., and Nielsen, E. (2020). A method of estimating the Martian neutral atmospheric density at 130 km, and comparison of its results with Mars Global Surveyor and Mars Odyssey aerobraking observations based on the Mars Climate Database outputs. Earth Planet. Phys., 4(4), 408–419doi: 10.26464/epp2020038. http://www.eppcgs.org/article/doi/10.26464/epp2020038?pageType=en
