利用火星电离层观测结果研究火星低热层中性大气

The lower thermosphere of Mars (100-140 km) is the gateway between the atmosphere and space, where the spacecrafts for Mars missions decelerate and modify their orbits. However, the observations in this region are seriously inadequate, especially in the high latitude regions of the northern hemisphere (60N-90N) of Mars. In this study, a method to derive the neutral density in this altitude range from the ionospheric observations of Mars is presented. The neutral densities derived from the observations of the radio occultation experiments and the topside sounder onboard MGS and MEX can cover the shortage of the present lower thermospheric observations of Mars. Compared with the simulation of the Martian atmosphere models, these data can not only be used to investigate the main physical processes in the lower thermosphere of Mars and their effects, but also be used for the validation and correction of the Martian atmosphere models. Therefore, our study is of great importance to the study on the Martian atmosphere/ionosphere, the modeling of the Martian atmosphere and the operations of the spacecrafts for Mars missions.

火星低热层（100-140km）是连接火星大气与行星际空间的重要区域，同时也是火星探测器进行轨道制动、捕获和变轨的高度范围。但是目前火星低热层中性大气的观测存在严重不足，特别是在火星北半球高纬（60N-90N）地区。本研究提出了一种从火星电离层观测数据中获取火星低热层中性大气密度的方法。利用该方法，我们可以从MGS和MEX的无线电掩星数据和火星电离层顶部探测雷达数据中获得火星低热层中性大气密度。利用本方法获得的火星北半球高纬区域的中性大气密度可以弥补现有火星大气层观测的不足。通过与火星大气模型的比较，可以研究影响火星低热层大气的主要物理过程及其效应，还可以对现有火星大气模型进行验证和修正。因此本研究对于火星大气层/电离层科学研究、火星大气建模及火星任务工程具有重要意义。

火星低热层（100-140km）是连接火星大气与行星际空间的重要区域，同时也是火星探测器进行轨道制动、捕获和变轨的高度范围。但是目前火星低热层中性大气的观测存在严重不足，特别是在火星北半球高纬（60N-90N）地区。因此获取这一区域的火星中性大气数据并研究火星低热层大气层对电离层的影响具有重要意义。.本项目主要研究内容是研究从火星电离层观测数据中获取火星低热层中性大气密度的方法并对利用该方法获得的火星低热层大气密度进行验证；研究火星低热层大气扰动对电离层的影响。对第一部分内容，我们提出了一种从火星电离层峰值高度数据中获取火星130公里高度处中性大气密度的方法，并采用三段长期的MGS卫星无线电掩星观测数据获取了三段长期的130公里高度火星中性大气密度；随后用法国研究组开发的LMD MGCM模型模拟结果计算了相同轨道条件下的130公里高度火星中性大气二氧化碳密度并利用LMD MGCM模型模拟结果完成了对从火星电离层观测数据中获取火星低热层大气密度方法的验证。另外，我们还用MGS和ODY卫星的加速度计获得的130公里火星中性大气密度与用LMD MGCM模型模拟结果修正后的数据的对比，进一步验证了我们提出的获取火星低热层大气密度的方法。对于第二部分内容，我们研究了火星尘暴对火星中高层中性大气的影响。本研究利用MGS无线电掩星试验对火星低层大气和中高层大气的观测结果研究了一个火星区域尘暴对火星中高层大气和电离层的影响。利用我们提出的一种从火星电离层峰值高度获取火星中高层大气密度的方法，我们获取了在此次区域尘暴期间火星北半球中高纬度（60N~90N）区域距离等势表面130km处火星中性大气密度。通过比较火星大气模型MCD的模拟结果和我们从火星电离层峰值高度观测中获取的观测结果，我们可以将观测结果中包含的火星中性大气密度随太阳经度、LT、纬度的变化扣除掉，获得了区域尘暴对火星中性大气密度的定量结果。基于尘暴期间火星中性大气变化的定量结果，我们用一个简单的火星电离层光化平衡模型计算了尘暴对火星电离层的影响，并与MGS无线电掩星观测的火星电离层剖面进行了比较。我们发现光化平衡模型计算结果与MGS无线电掩星观测结果符合得很好,这说明我们从火星电离层观测结果中获取区域尘暴对火星中性大气密度的定量影响的方法是有效的。