邹鸿课题组揭示火星不同高度电离层对大气扰动的差异响应
火星大气虽然远比地球稀薄，却同样存在复杂而活跃的大气动力学过程。尘暴、太阳辐射加热以及地形起伏等因素能够激发大气扰动，这些扰动可由低层大气逐渐向上传播，并进一步影响更高高度的火星大气和电离层结构。
近日，北京大学地球与空间科学学院邹鸿课题组基于美国“火星全球勘测者号”（Mars Global Surveyor，MGS）无线电掩星观测数据，围绕火星电离层电子密度双层结构中的主峰M2层和次峰M1层开展了系列研究。相关成果分别以 Effects of Martian Dust Storms on Ionospheric Peak Altitudes 和 Study on the Coupling between the Ionosphere and Thermosphere at Different Heights on Mars 为题，先后发表在国际学术期刊 The Astrophysical Journal 上。
火星日侧电离层通常表现出明显的分层结构：M2层位于距火星表面约120–150 km，是电离层主峰，主要由太阳极紫外（EUV）辐射电离中性大气形成；M1层位于约 90–110 km，是电离层次峰，其形成主要与太阳软X射线辐射有关。由于M2层的特征更明显、结构更稳定，过去研究多聚焦于M2 层，而对M1层的研究相对有限。邹鸿课题组发展并应用了一套可重复的电子密度剖面拟合方法，能够同时提取M1和M2层的峰值密度、峰值高度和中性标高等关键参数，不仅为建立电离层与中性大气之间的联系提供了新手段，也使得比较不同高度层的电离层响应成为可能。
图1. MGS无线电掩星观测得到的典型火星电离层电子密度剖面及 M1、M2 层拟合结果图。
在第一项研究中，研究团队聚焦于2004年底一次火星局域尘暴事件，结合 MGS 无线电掩星电子密度剖面和火星全球平均大气不透明度数据进行分析。结果发现，在尘暴的发生和增强阶段，随着全球平均大气不透明度的快速上升，火星电离层 M1和M2层的峰值高度均出现明显抬升；而当尘暴进一步发展，尘埃不透明度增长速率逐渐减缓，两层峰值高度逐渐趋于稳定并开始回落。然而，二者的响应过程并不完全一致：从尘暴从开始产生、发展到逐渐对电离层产生显著影响的过程中，M2和M1层之间的峰值高度差持续增大，表明尘暴期间不同高度电离层的抬升程度产生分化，其中M2层表现出更强的响应；进一步地，当两层峰值高度达到最大并逐渐趋于饱和后，层间高度差仍继续增加，这意味着M1层峰值高度已率先开始下降，而M2层仅表现出较弱的衰减。上述结果表明，尘暴对不同高度电离层的影响并非简单的整体抬升，而呈现出明显的高度依赖特征。
由于火星电离层中电子和离子的分布受到背景中性大气状态的显著调控，上述结果进一步表明，在电离层的不同高度上，尘暴引起的火星背景中性大气膨胀和收缩速率可能具有不同的时间演化特征。M1和M2 层在响应幅度和时间尺度上的差异，为研究火星大气扰动能量如何向上传播和演化提供了一个天然的“高度分辨探针”。
图2. (a)火星全球平均大气不透明度随太阳经度和协调世界时(UTC)的变化; (b)通过归一化方法排除太阳天顶角影响后的M2和M1层峰值高度差随太阳经度和UTC的变化，尘暴过程可划分为尘暴前相、起始相、增长相和饱和相，在图中用蓝色虚线分隔开来。
第二项研究进一步从经度变化与非迁移波的角度研究火星电离层—热层耦合过程。研究团队利用MGS 无线电掩星电子密度数据，将观测数据划分为多个三天时间窗口，并严格控制轨道参数变化带来的影响，结合傅里叶分析方法提取了M1和M2层峰值密度、峰值高度以及中性标高随经度的变化特征，研究了不同高度层各参数之间的耦合关系。结果显示，M2 层峰值密度与中性标高呈负相关，而 M1 层峰值密度与中性标高呈正相关；同时，M1 层峰值高度与中性标高呈现正相关的同相位变化，而M2层峰值高度相对于中性标高则存在明显的相位偏移。
研究进一步对经度变化中的主要波动成分进行分解，发现wave-3成分在M1和 M2层中均占据重要地位，并具有明显的季节变化特征。相比M2层，M1层中的 wave-3振幅通常更大，这反映了热潮汐在垂直传播过程中与背景大气发生相互作用而产生的耗散现象。研究结果表明，非迁移波在向上传播过程中，其振幅和相位会随高度发生变化，进而导致M1和M2层表现出不同的电离层—热层耦合特征。
图3：从左到右的三列分别代表第25到第27个火星年(MY)，从上到下的四行依次表示代表M2层的峰值密度和中性标高，以及M1层的峰值密度和中性标高wave-3分量的百分比变化。
综合两项研究结果可以发现，火星电离层不同高度层记录了来源于火星表面和低层大气的扰动在向上传播的过程中，产生的状态演化和能量传递的过程。关于尘暴的研究揭示了M1和M2层在尘暴产生、发展及后期演化阶段响应幅度和时间尺度上的差异，体现了大气扰动时间演化上的高度依赖性；而关于行星波的研究则揭示了不同高度层在相位、振幅及耦合关系上的差异，反映出大气扰动空间结构的高度变化特征。相关成果不仅有助于深入理解不同高度上的火星电离层—热层耦合机制，也对认识尘暴期间火星无线电通信环境变化、保障火星探测任务运行安全以及未来火星空间天气预报具有重要意义。
论文第一作者为北京大学地球与空间科学学院博士生娄宇，通讯作者为北京大学地球与空间科学学院邹鸿研究员。合作者包括澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室叶雨光博士、中国气象局国家空间气象中心王劲松研究员。相关研究得到国家自然科学基金和CNSA民用航天预研项目等支持。
论文信息：
Lou, Y., Zou, H., Ye, Y. G., & Wang, J. S. (2025). Effects of Martian Dust Storms on Ionospheric Peak Altitudes. The Astrophysical Journal, 981(1), 42.
Lou, Y., Zou, H., Ye, Y. G., & Wang, J. S. (2026). Study on the Coupling between the Ionosphere and Thermosphere at Different Heights on Mars. The Astrophysical Journal, 1003(2), 134.
论文链接
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adae01/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae6774/
