我实验室科研人员在类地行星夜侧电离层形成机制上取得一系列进展

发布日期：2019-12-31

　　任何一个拥有大气层的天体都同时拥有一个电离层。对于三个最重要的类地天体（火星、金星、土卫六）而言，其日侧电离层已知均是通过源于太阳紫外辐射所产生的，而对于夜侧电离层，产生机制一直不明确，其中两个最重要的机制为源于太阳风的高能电子沉降，以及日夜等离子体输运。近年来，PEARL实验室崔峻教授团队聚焦火星和土卫六的夜侧电离层形成机制，开展了系统性研究，成果获得国际学术界的广泛关注。

　　崔峻教授于2009年首次提出土卫六夜侧电离层由日夜输运和高能电子沉降二者同时贡献，其中前者主要作用于较重的长寿命离子，而后者主要作用于较轻的短寿命离子。崔峻教授和其美国合作者建立了一个包含1600余个化学反应的复杂二维电离层时变模型用于解释他们所提出的图像，结果表明理论预言和数据观测是基本符合的。崔峻教授于2010年就此问题开展了后续研究，通过比较日侧和夜侧的等离子体外流进一步验证了日夜输运机制的合理性和重要性。上述两项工作均发表于Journal of Geophysical Research – Space Physics，并在数本关于土卫六的学术专著中被频繁引用。

1
图1：土卫六电离层不同离子成分的日夜垂直剖面随时间的变化

 

　　对于火星夜侧电离层，传统观念认为其主要由高能电子沉降所引起，但是已有工作无法排出其它机制可能的贡献。对此，崔峻教授提出了一个比较夜侧高层大气电离率和复合率的创新方法。其研究结果表明，电子沉降所对应的夜侧电离率和复合率在数据误差范围内是相等的，因而不需要其它电离机制起作用。该工作于2019年发表于The Astrophysical Journal Letters，并被美国天文学会官方网站（https://aasnova.org/2019/05/24/plasma-processes-in-marss-shadow/）作为亮点成果进行报道。

2
图2：MAVEN卫星1513号轨道所获取的火星夜侧电离层特性

 

 

　　在火星夜侧接近晨昏分界面处，已有研究表明日夜输运可能起到比电子沉降更显著的作用。崔峻教授团队对这一问题的研究表明，在火星入夜后1-2小时内，日侧产生的离子还没有完全复合，是贡献夜侧电离层的主要物质来源。研究揭示了上述日夜输运特征速率为每秒2公里，表明等离子体在晨昏分界面处可以被有效加速；同时研究还揭示了日夜输运在南北半球呈现出明显的不对称性，表明磁场环境对输运起到重要的调制作用。上述工作发表于Journal of Geophysical Research – Space Physics和Journal of Geophysical Research – Planets。

3
图3：火星夜侧电离层产生与复合率随太阳天顶角的变化在南北半球和晨昏半球的比较

 

    参考文献：

  1. Diurnal variations of Titan's ionosphere, Cui, J., Galand, M., Yelle, R. V., Vuitton, V., Wahlund, J.-E., Lavvas, P. P., Müller-Wodarg, I. C. F., Cravens, T. E., Kaprzak, W. T., and Waite Jr., J. H., 2009, Journal of Geophysical Research – Space Physics, 114, A06310
  2. Ion transport in Titan's upper atmosphere, Cui, J., Galand, M., Yelle, R. V., Wahlund, J.-E., Ågren, K., Waite Jr., J. H., and Dougherty, M. K., 2010, Journal of Geophysical Research – Space Physics, 115, A06314
  3. Day-to-night transport in the Martian ionosphere: Implications from total electron content measurements, Cui, J., Galand, M., Yelle, R. V., Wei, Y., and Zhang, S.-J., 2015, Journal of Geophysical Research – Space Physics, 120, 2333-2346
  4. Evaluating local ionization balance in the nightside Martian upper atmosphere during MAVEN Deep Dip campaigns, Cui, J., Cao, Y.-T., Wu, X.-S., Xu, S.-S., Yelle, R.V., Stone, S., Vigren, E., Edberg, N.J.T., Shen, C.-L., He, F., and Wei, Y., 2019, The Astrophysical Journal Letters, 876, L12

Structural variability of the cross-terminator Martian ionosphere: Implications on plasma sources, Cao, Y.-T., Cui, J., Wu, X.-S., and Wei, Y., 2019, Journal of Geophysical Research - Planets, 124, 1495