火星高层大气（包括电离层和热层）是理解整个火星大气演化的重要基础，是火星大气逃逸的重要来源，因此成为火星探测的重要目标，国际上相关空间探测机构已对火星电离层进行了多次探测，如火星快车（Mars Express）、火星大气和挥发分演化探测（MAVEN），"天问一号"。高层大气的周日或逐日变化受低层大气各种波动过程向上传播的影响，这种扰动影响在短时间尺度上已有相关的事件研究，但长时间气候学尺度的耦合过程研究并不清楚。MAVEN是第一个直接测量火星大气的航天器，已经在轨道上积累了八年多的数据（2015-2022），为从气候学尺度研究火星大气的半球不对称性提供了很好的条件。中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室乐会军研究员等，首次利用MAVEN数据对低层大气与高层大气在气候学上的耦合过程及其影响开展了研究。
他们根据太阳天顶角及火星到太阳距离的计算，发现：太阳EUV通量的季节变化最强出现在南半球高纬度地区，最弱出现在北半球低纬度地区。CO与CO2密度具有相同的变化特征（图1）。观测和模拟计算均表明，南半球的季节变化比北半球更显著，因为火星到太阳的距离和太阳天顶角对太阳EUV通量的影响在南半球方向相同，但在北半球方向相反。
为了进一步研究火星高层大气南北半球之间的差异，需要尽量减少太阳辐射本身的南北半球差异，因此他们首先统计分析了较低太阳活动（2016-2021）春分点附近（Ls在150至210之间）的数据。曲线拟合和中值结果表明，中性CO和CO2密度具有非常明显的纬度结构（图2）。最大密度位于赤道附近，随着南北半球纬度的增加，密度逐渐减小。这些结果也清楚地表明了中性大气的南北不对称性。总体而言，在较低太阳活动时期，北半球的中性密度高于南半球。
此外，他们分析了太阳活动较强时期（2014-2015）的观测数据，结果也显示出显著的南北不对称，但北半球的中性密度低于南半球。也就是说，高层大气南北半球之间的差异在不同太阳活动期间有显著差异。图3给出了热层大气密度南北半球不对称性随太阳辐射的变化。他们还统计分析了电离层电子密度的南北半球不对称性，结果表明，与热层中性大气密度半球不对称性一样，电离层电子密度的半球不对称性也有显著的太阳活动依赖性，在较低太阳活动条件下，北半球电子密度大于南半球，随着太阳辐射增加，南半球电子密度逐渐超过北半球。但是，电离层电子密度与热层中性大气密度半球不对称的转换阈值有差别，具体原因有待进一步研究。
图1 MAVEN大气密度数据显示的火星大气180 km高度处CO和CO2的季节变化
图2 热层CO与CO2密度在不同高度的纬度结构
图3 热层CO密度在南北半球不同纬度区域随太阳辐射的变化
众所周知，火星的地形存在显著的南北半球不对称，火星的岩石剩余磁场也存在很强的半球差异。一方面，火星地形的巨大半球差异以及随之而来的沙尘暴可能会导致低层大气波动过程也存在半球差异。低层大气各种波动过程向上传播并进入高层大气影响其中的成分和密度。另一方面，火星磁场对高层大气带电粒子运动有直接的控制作用，从而可能影响高层大气电子密度及中性大气密度的分布。那么MAVEN数据显示的火星高层大气南北半球不对称性到底主要来自哪个方面？火星低层大气在气候学上如何影响高层大气，现有的观测数据不足，很难用这些数据研究低层大气与高层大气耦合过程中的半球差异。但是，行星磁场对高层大气的影响理解得更多，已经有一些研究探讨了火星磁场对火星电离层和热层的影响。此外，火星南北半球磁场的差异很大程度上取决于经度。在经度～120°与240°之间，南半球有很强的岩石剩余磁场，而北半球磁场较弱。在其他经度区域，南北半球之间的磁场差异较小。这为检验磁场差异的影响提供了天然的实验条件。因此，可以通过比较具有不同磁场差异的两个区域的结果来检验行星磁场差异与电离层热层南北不对称性之间的关系。
通过分析高磁场差异和低磁场差异的结果，发现火星磁场的南北差异可能会在大于200 km的更高高度增加电子密度的南北差异，但对200 km以下电离层电子密度的南北差异和中性大气密度基本没有影响。由此可以得出初步结论，春秋两季电离层和热层的电子密度和中性大气密度的南北不对称性并不是由火星岩石剩余磁场的南北差异造成的，而是与火星低层大气波动过程的南北差异有关。火星北部和南部地形之间存在巨大差异，导致低层大气各种波动过程（例如重力波、潮汐和行星波）的南北差异以及低层大气中的沙尘暴活动，通过低层大气与高层大气的耦合过程，将低层大气的半球差异上传到高层大气，引起高层大气的南北不对性。对于这样的低层大气与高层大气的耦合过程及其导致的气候学学上的半球差异，后续将结合观测和模拟进一步揭示其主要物理过程。
图4 南北半球高磁场差异区与低磁场差异区的电离层电子密度纬度变化比较
该研究通过对火星高层大气纬度结构的气候学统计研究，发现了显著的南北半球不对称性，在较低太阳活动期间，北半球的电离层电子密度及热层中性气体密度更大，随着太阳活动增加，南半球的电子密度和中性其他密度均逐渐超过北半球。通过分析发现这种不对称性很可能来源于低层大气的半球不对称性，通过低层大气与高层大气的耦合影响到高层大气。研究揭示了火星低层大气与高层大气在气候学尺度的耦合过程和影响，对深入理解整个火星大气的长期演化提供了重要参考。
研究成果发表于国际学术期刊JGR:Planets (乐会军, 刘立波,陈一定, 张辉. The north–south asymmetry of Martian ionosphere and thermosphere. Journal of Geophysical Research: Planets, 2022, 127, e2021JE007143. DOI: 10.1029/2021JE007143）。研究受中科院先导B（XDB41000000），科技部重点研发计划项目（2018YFC1503504），国家自然科学基金项目（(41822403、41774165）和中科院青年创新促进会等联合资助。