火星晨昏线附近电离层变化特征研究

The proposed project is an investigation focused on the morphological and structural variations and their controlling factors, physical mechanisms of the main layer Martian ionosphere near terminator. The observational data of MARSIS AIS (Active Ionosphere Sounding) and MGS RS (Radio science occultation) electron density profiles will be analyzed in order to extract variation characteristics and possible regularities of the near-terminator portion of the ionosphere, with particular emphasis put on the differences between the two (dusk / dawn) sides of the terminator. Possible effects of the asymmetry of the draping magnetic field, induced magnetic field, solar wind, the Martian crustal magnetic anomalies, and rotation of the planet will be investigated. Numerical simulations based on the theory of space plasma physics will be carried out in order to model the variations. This study will shed new light on the relation of the Martian ionosphere to the near-Mars space plasma environment, and promote a better understanding of the Martian ionosphere formation and evolution process.

本项目拟主要通过MARSIS AIS和MGS RS数据分析及数值模拟，研究火星电离层在晨昏线附近的形态、结构特征及其时空变化、控制因素和机理。重点分析晨昏线附近中低纬度区域近火星空间星际磁场、感应磁场、太阳风、火星南半球壳磁场、火星自转等因素，对200km高度以下主体电离层的影响。以空间等离子体物理学理论为指导，建立晨昏线附近电离层变化特征的物理模型。反演和正演相结合，从大量观测点的电子密度剖面特征提取入手，通过不同时空域、不同太阳天顶角、不同自然环境下多种特征的对比，探讨变化趋势和规律性。在晨昏线附近的时空区域，电离层处于以光电离成因为主的白天状态向以输运成因为主的夜间状态的过渡状态，了解其多方面特征及变化规律，可以为近火星空间等离子体环境与主体电离层关系的深入了解提供特殊重要的信息，对促进提高火星电离层形成机制、运动规律的整体认识有重要意义。

火星电离层处于太阳辐射引起的光电离、重组和等离子体扩散运动的动态平衡中，同时因火星没有全球性内禀磁场，电离层也受到太阳风的直接影响而引起火星大气向星际空间逃逸散失。火星电离层的性质和变化规律是近一、二十年来行星科学探测和研究的一个热点领域。本项目主要利用火星地下与电离层探测高级雷达主动电离层探测（MARSIS AIS）数据和火星全球探测器无线电掩星（MGS RS）数据，研究了火星晨昏线附近电离层形态、结构特征及时空变化规律、影响因素及成因机制。主要结果为（1）发现了电离层上部晨昏线附近动态密度层的高度和峰值密度在日变化和季节变化方面与主电离层变化具有正相关性；（2）发现了火星主体电离层上部（150 – 200 km高度范围）等密度面平均高度随当地时间变化的规律性（上午较下午高约10 km）；（3）发现火星北半球电离层密度峰高度及150 – 200 km高度范围内的电离层等密度面平均高度存在与日变大气潮相似的波动规律（即存在经度相隔约90°相间分布的峰值和谷值，高差为3 km左右）；（4）发现MARSIS雷达在火星壳磁异常发育区探测到具有多次反射特征的“ε-信号”（波导信号），反映在磁化等离子体中，在雷达发射能量较低（40 W）、磁场强度也较低（40 – 200 nT）情况下，雷达波也能够改造局部电离层结构从而形成自然波导；（5）对上述新发现的现象做了较合理的物理解释；（6）提出MARSIS数据反演的均匀等效板状体替代方法、用卫星高度对反演剖面的校正方法，包括它们可行性的数学证明；引入核多变量统计分析方法用于分析大量MARSIS AIS数据。以上研究结果对加深火星电离层变化规律的认识，特别是对进一步研究电离层等离子体扩散运动、局部磁异常及太阳风等因素的影响，有一定科学价值。