張彤彤， 劉立波*， 陳一定， 樂(lè)會(huì)軍， 張瑞龍， 張輝

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所黑龍江漠河地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 北京 100029 4 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球物理研究所北京空間環(huán)境國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 北京 100029

0 引言

行星電離層的結(jié)構(gòu)與變化特性依賴于多種物理過(guò)程的參與(Rishbeth and Garriott，1969).在這些物理過(guò)程中，太陽(yáng)輻射起著非常重要的作用，是包括火星在內(nèi)的行星電離層的主要電離源.源于太陽(yáng)的極紫外輻射(EUV)作用于行星中性大氣，使其部分電離產(chǎn)生電離層.因此，太陽(yáng)輻射會(huì)影響電子密度的時(shí)間變化和空間分布.行星電離層對(duì)太陽(yáng)輻射變化的響應(yīng)特征，是了解行星電離層氣候?qū)W特征很重要的研究問(wèn)題，也是深入認(rèn)識(shí)電離層長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)(Liu et al.，2011).

火星電離層、高層大氣與地球具有顯著的差異(Zou et al.，2006；曹雨田等，2021)，比如火星與地球距日距離、大氣成分、主控物理過(guò)程等均有所不同.地球的公轉(zhuǎn)近似圓軌道，以1個(gè)天文單位(AU)為半徑；而火星的公轉(zhuǎn)軌道離心率約為0.093，近日點(diǎn)距離太陽(yáng)1.382 AU，遠(yuǎn)日點(diǎn)1.666 AU.地球大氣以N2、O2為主，而火星最主要的大氣成分是CO2.已有研究表明，地球和火星電離層的光化學(xué)過(guò)程存在差異.地球F2層以光電離O為主，除光化學(xué)作用，電子輸運(yùn)也起著重要作用；而火星M2層以光電離CO2為主，主要受光化學(xué)控制(Schunk and Nagy，2009；Withers，2009).

對(duì)地球電離層的研究揭示出電離層對(duì)太陽(yáng)輻射變化呈現(xiàn)多樣的響應(yīng)特性(Liu et al.，2021).已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，地球E和F1層電子密度對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)依賴呈線性關(guān)系(Rishbeth and Garriott，1969)；而F2層峰值電子密度(NmF2)和電離層總電子含量(TEC)與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系在全球存在線性、放大和飽和三種類型(Liu and Chen, 2009；Liu et al.，2011).此外，不同高度的電子密度對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)也存在差異(Su et al.，1999；Liu et al.，2007；Chen et al.，2009).

本文關(guān)注的問(wèn)題是火星電離層如何響應(yīng)太陽(yáng)輻射變化.以往我們對(duì)火星電離層隨太陽(yáng)輻射變化的認(rèn)識(shí)，主要聚焦于火星電離層TEC、M2層峰值電子密度(NmM2)和M1層峰值電子密度(NmM1)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)變化的響應(yīng).火星NmM2與太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)(例如F10.7和E10.7)呈正相關(guān)(Breus et al.，2004；Withers and Mendillo，2005；Fox and Yeager，2009).NmM1對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)大于M2層(Fox and Yeager，2009).Hensley和Withers(2021)發(fā)現(xiàn)在170～190 km高度，太陽(yáng)活動(dòng)變化改變火星中性大氣，驅(qū)動(dòng)大氣膨脹，使得在該高度范圍的電子密度對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)強(qiáng)于NmM2.Lillis等(2010)利用火星快車MARSIS的部分?jǐn)?shù)據(jù)，用冪函數(shù)來(lái)表達(dá)TEC對(duì)太陽(yáng)輻射通量指數(shù)F10.7的依賴關(guān)系.考慮到火星公轉(zhuǎn)軌道扁率，火星軌道接收到的太陽(yáng)輻射比在地球軌道有更明顯的年變化，導(dǎo)致火星電離層峰值密度和TEC在北半球夏季即遠(yuǎn)日點(diǎn)附近較小，在近日點(diǎn)附近較大(Sánchez-Cano et al.，2016).Duru等(2019)發(fā)現(xiàn)500～900 km內(nèi)電子密度也存在類似的年變化.

目前，我們還未充分了解火星電離層不同高度區(qū)域電子密度及其對(duì)TEC的貢獻(xiàn)隨太陽(yáng)輻射變化的差異(曹雨田等，2021).本文利用火星全球勘探者號(hào)(MGS)掩星數(shù)據(jù)(Hinson et al.，1999)，分析100～200 km內(nèi)電子含量(TECMGS)、頂部(M2峰以上)電子含量(TECT)和底部(M2峰以下)電子含量(TECB)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)，并與一個(gè)TEC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Bergeot et al.，2019)進(jìn)行比較.我們發(fā)現(xiàn)，各高度區(qū)域內(nèi)電子含量與太陽(yáng)輻射呈現(xiàn)一定程度的非線性相關(guān)，TECMGS隨F10.7的變化呈現(xiàn)飽和特征；與TECB相比，TECT的飽和特征更明顯；TECMGS與模型的比值隨F10.7增大而減小，指示著200 km以上電子含量在TEC中占比越來(lái)越大，這表明200 km以上電子含量可能隨太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)出現(xiàn)放大特性.

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 太陽(yáng)輻射

本工作中太陽(yáng)輻射通量采用太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F10.7來(lái)表征.由于缺乏火星軌道處太陽(yáng)輻射的連續(xù)監(jiān)測(cè)，我們用地球監(jiān)測(cè)的F10.7數(shù)據(jù)構(gòu)建火星處的太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù).Němec等(2019)發(fā)現(xiàn)MAVEN(EUVM)測(cè)量的太陽(yáng)通量與地球觀測(cè)的F10.7數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)換到火星位置)有很好的相關(guān).采用Bergeot等(2019)的方法，根據(jù)火星與太陽(yáng)的距離變化對(duì)地球F10.7指數(shù)進(jìn)行校正，得到火星軌道處的F10.7指數(shù)：

(1)

F10.7為地球處的太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)，F(xiàn)10.7Mar為火星軌道處的F10.7值，d為太陽(yáng)至火星距離與地球距日距離的比值.以前的研究表明，F(xiàn)10.7P可以更好地表征太陽(yáng)EUV(Liu et al.，2006；Mendillo et al.，2013)，即

(2)

1.2 火星電離層掩星數(shù)據(jù)

本文所用的火星電離層數(shù)據(jù)來(lái)自MGS無(wú)線電科學(xué)(RS)儀器的掩星探測(cè).掩星探測(cè)利用RS儀器發(fā)射微波輻射主動(dòng)探測(cè)火星大氣層，并在NASA深空網(wǎng)絡(luò)(DSN)跟蹤站接收(Tyler et al.，1992；Hinson et al.，1999).在1998—2006年任務(wù)期間，MGS探測(cè)獲得了5600個(gè)電子密度剖面.所有剖面對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)天頂角(SZA)分布在71°～89.2°之間，其中5380個(gè)剖面在北半球高緯地區(qū)(Hensley and Withers，2021)，因此本文研究北半球高緯地區(qū)電離層的太陽(yáng)活動(dòng)依賴.

圖2是基于MGS數(shù)據(jù)獲得的三個(gè)SZA時(shí)刻的火星電離層平均剖面.如圖2所示，火星電離層主要分為兩層：M1層和M2層.M2層為主要層，高度約為130 km；隨著SZA變化，M2層高度在日下點(diǎn)處低至120 km，在晨昏處增大到160 km(Morgan et al.，2008).M1層為第二層，高度約為110 km(Fox，2004；Mendillo et al.，2006；P?tzold et al.，2016).MGS數(shù)據(jù)曾用來(lái)研究M1層和M2層隨SZA、太陽(yáng)輻射和經(jīng)度的變化特性(Wang and Nielsen，2003；Breus et al.，2004；Withers and Mendillo，2005；Fox and Yeager，2009).

圖1 地球與火星軌道處的太陽(yáng)輻射指數(shù)變化 圓圈為地球的太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)，實(shí)心點(diǎn)為火星的F10.7P, 陰影區(qū)域?yàn)檫x取的MGS掩星數(shù)據(jù)所在時(shí)段.Fig.1 Daily solar indices F10.7 and F10.7P at the orbits of the Earth and Mars The circles represent the daily F10.7 flux at the Earth, and the dots represent the F10.7P at the Mars. The gray boxes show the time intervals when the MGS radio occultation observations were operated.

圖2 基于MGS數(shù)據(jù)獲得的三個(gè)SZA時(shí)刻火星電離層 電子密度剖面 點(diǎn)劃線SZA為88°，實(shí)線為80°，虛線為72°，點(diǎn)線為標(biāo)準(zhǔn)差.Fig.2 The Martian electron density profiles at three solar zenith angles (SZA) determined from the MGS data The SZA of the dash-dot, solid and dashed lines are 88°, 80° and 72°, respectively, and the dotted lines are their standard deviation.

Schunk和Nagy(2009)研究表明，在170～200 km高度以下，火星電離層等離子體處于流體靜力學(xué)平衡狀態(tài)， M2層峰高附近主要處于光化學(xué)平衡狀態(tài).電子密度剖面可以用Chapman-α方程描述(Zhang et al.，1990)：

Ne(h)=

(3)

Ne是電子密度，h是高度，NmM2為M2層峰值電子密度，hmM2為M2層峰高，H是大氣標(biāo)高.Sánchez-Cano 等(2013)證實(shí)火星頂部電離層大氣標(biāo)高隨高度呈線性變化，即

H=HnM2+k·(h-hmM2)，

(4)

HnM2為M2層峰高處的大氣標(biāo)高，k為大氣標(biāo)高的高度變化因子.

在M2層峰高以上，隨著高度增加，O電離越來(lái)越重要，參與的光化學(xué)反應(yīng)和主要離子成分也可能發(fā)生變化；在M2層峰高以下，軟X射線電離110 km左右高度處的CO2產(chǎn)生M1層.因此，我們從MGS掩星電子密度剖面得到NmM2與hmM2，再選取在hmM2附近-10～20 km高度區(qū)間的電子密度數(shù)據(jù),利用式(3)和(4)，對(duì)剖面進(jìn)行最小二乘擬合，減輕以上2種情況的影響.當(dāng)剖面出現(xiàn)M1層時(shí)，對(duì)M1峰值電子密度(NmM1)進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)定，確定M1層參數(shù).

最后，分別對(duì)100～200 km區(qū)間內(nèi)電子密度進(jìn)行積分，分別得到M2峰～200 km積分值，即頂部TEC(TECT)，100 km～M2峰的底部TEC(TECB)，以及100～200 km 積分值TECMGS.

1.3 電離層總含量模型

MGS掩星數(shù)據(jù)只提供大約200 km以下的電子密度剖面，同時(shí)期又無(wú)TEC探測(cè)，難以確定火星電離層200 km以上電子含量的變化.我們利用Bergeot等(2019)用火星快車的TEC數(shù)據(jù)發(fā)展的火星電離層TEC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚆oMo.MoMo模型包含了火星電離層整體的電子含量，將其與MGS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，便可以推出200 km以上電子含量的變化.

相于對(duì)其他模型(例如Mendillo等(2018)發(fā)展的MIRI模型)，MoMo模型根據(jù)火星快車TEC數(shù)據(jù)構(gòu)建，數(shù)據(jù)包含更大的高度區(qū)間.此外，MoMo模型以更加簡(jiǎn)潔的方式來(lái)描述火星電離層變化，所需控制參數(shù)少.MoMo模型為

TEC(SZA,Hem,Ls,F10.7P)=mean(α1)

(5)

其中Hem為半球，分南北兩個(gè)半球考慮.Ls為太陽(yáng)經(jīng)度，α1、β1和β2為擬合參數(shù).因?yàn)槟Ｐ蛿?shù)據(jù)的SZA接近90°，因此用Smith和Smith(1972)推導(dǎo)的Chapman掠入射積分Ch(Xp,SZA)代替sec(SZA)進(jìn)行建模，Xp為電離層至火心的距離與大氣標(biāo)高的比值.

2 結(jié)果

2.1 隨太陽(yáng)天頂角的變化

太陽(yáng)輻射在大氣中的傳播與SZA相關(guān)，因此SZA是影響電離層電子密度分布的一個(gè)重要參數(shù).以前的研究顯示，NmM2和NmM1與SZA呈反相關(guān)，hmM2隨著SZA的增大而升高(Fox and Yeager，2006；Morgan et al.，2008；Yao et al.，2019)，HnM2隨SZA增大而增大(Němec et al.，2011).

我們選取北半球高緯地區(qū)秋分附近，太陽(yáng)經(jīng)度Ls為150°～230°，F(xiàn)10.7P為41～55 sfu的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)按Ch(Xp,SZA)-0.5以0.06的窗口和步長(zhǎng)進(jìn)行分組平均，考察電子密度對(duì)SZA的依賴關(guān)系.如圖3所示，隨著SZA增大(橫坐標(biāo)右向左方向)，NmM1和NmM2減小，hmM2升高.HnM2變化較小，在71°～82°SZA區(qū)間HnM2有增大趨勢(shì)，反映出低熱層高度增加溫度升高；但當(dāng)SZA大于82°時(shí)，雖然hmM2在不斷升高，但HnM2不再增大.

圖3還展示出，隨著SZA增大(橫坐標(biāo)向左方向)，TECT、TECB和TECMGS減小.圖4給出了各高度區(qū)域電子含量對(duì)TEC的貢獻(xiàn)隨SZA的變化.TECT和TECMGS對(duì)TEC的貢獻(xiàn)隨SZA增大而減小，而TECB與模型的比值不變，約為0.33.在Chapman函數(shù)中底部TEC與TEC的比約為0.32(Zhu et al.，2016)，進(jìn)一步說(shuō)明Chapman函數(shù)可以很好地描述火星電離層電子密度剖面.

圖3 頂部圖為峰值電子密度隨SZA的變化 叉號(hào)為NmM2,灰色點(diǎn)為NmM1，黑色點(diǎn)和線分別為兩者的均值和對(duì)均值的擬合曲線.中間兩圖，hmM2和HnM2隨SZA的變化，灰色點(diǎn)為MGS數(shù)據(jù)，黑色點(diǎn)為均值.底部圖為各高度區(qū)間電子含量隨SZA的變化，三角為TECB，叉號(hào)為TECT，灰色點(diǎn)為TECMGS，黑色的點(diǎn)為各自的均值， 實(shí)線為均值的擬合曲線，方形為TECMoMo.Fig.3 The top panel shows the variation of M1 and M2 peak electron density with SZA The crosses are NmM2, the gray dots are NmM1, and the black dots and lines are the mean values and the fitting curves of their mean values, respectively. In the middle two panels, hmM2 and HnM2 change with SZA, the gray dots are MGS data, and the black dots are mean values. The bottom panel shows the variation of the electron content in each height interval with SZA. The triangles are TECB, the crosses are TECT, and the gray dots are TECMGS. The black dots are their mean values, the solid lines are the fitting curves of the mean values, and the squares are TECMoMo.

圖4 TECT、TECB與TECMGS對(duì)TEC的貢獻(xiàn) 隨SZA的變化 灰點(diǎn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)，黑點(diǎn)為平均值.Fig.4 The contribution of TECT,TECB and TECMGS to TEC varies with SZA The gray dots are observed data, and the black dots are average values within bins.

2.2 隨太陽(yáng)輻射的變化

如圖3所示,SZA對(duì)電子密度的影響較大.為避免SZA的影響，在考察電子密度對(duì)太陽(yáng)輻射變化的響應(yīng)時(shí)，我們選取北半球高緯地區(qū)夏季(Ls為120°～180°)，SZA為70.5°～73.5°的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)活動(dòng)水平如圖1陰影區(qū)域所示.對(duì)數(shù)據(jù)按F10.7P值選取6 sfu的窗口和步長(zhǎng)進(jìn)行分組平均，并對(duì)平均值進(jìn)行擬合.

圖5給出各參數(shù)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)的依賴關(guān)系.由圖5可知，NmM1和NmM2隨太陽(yáng)活動(dòng)的增強(qiáng)而增大.hmM2隨太陽(yáng)活動(dòng)變化不明顯，約為134.5±2.4 km，有微小的下降趨勢(shì).HnM2變化也不明顯，約為10.5±1.3 km，這不同于之前Fox和Yeager(2006)發(fā)現(xiàn)大氣溫度隨太陽(yáng)活動(dòng)增大而升高的報(bào)道.TECB與TECT值隨F10.7P的增大而增大，但在F10.7P高值時(shí)增速有所減緩，表明可能存在類似地球電離層的飽和特征(Liu et al.，2006，2011).Lillis等(2010)對(duì)F10.7和TEC使用冪函數(shù)進(jìn)行擬合.要談及的是，在統(tǒng)計(jì)上F10.7與EUV輻射強(qiáng)度存在非線性關(guān)系(Richards et al.，1994；Liu et al.，2006)，且F10.7的零值不對(duì)應(yīng)于EUV零值，用冪函數(shù)擬合的方法還有待探究.我們利用Liu和Chen(2009)的方法對(duì)均值進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，擬合系數(shù)如表1所示.其中A2代表其可能的非線性趨勢(shì)，當(dāng)A2為正時(shí)為放大趨勢(shì)，當(dāng)A2為負(fù)時(shí)為飽和趨勢(shì)；而A1與A2的比值決定了非線性程度，比值越大，線性程度越高.由表1可知，TECT的飽和趨勢(shì)更明顯，TECB的線性程度更高.如圖6所示，TECB、TECT兩者與MoMo模型TEC的比值不斷的降低.這指示出，隨太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)的增大，200 km以上電子含量可能增大更顯著.此外實(shí)測(cè)點(diǎn)有一定的離散，這可能與季節(jié)以及地表向上傳播的波動(dòng)參與引起的擾動(dòng)有關(guān)(Wang and Nielsen，2003；Sánchez-Cano et al.，2016).

圖5 (a) 從上至下依次為M1層和M2層峰值電子密度、hmM2、HnM2隨F10.7P的變化； (b) TECT、TECB與TECMGS隨F10.7P的變化Fig.5 (a) From top to bottom, the solar activity dependence of the peak electron density of the M1 and M2 layers, hmM2 and HnM2； (b) The changes of TECT, TECB and TECMGS with F10.7P

表1 TEC均值擬合系數(shù)Table 1 The fitting coefficients of TEC mean fitting

3 討論

圖6 TECT、TECB與TECMGS對(duì)TEC的貢獻(xiàn)隨F10.7P的變化Fig.6 The contribution of TECT, TECB and TECMGS to TEC varies with F10.7P

對(duì)于100～200 km以內(nèi)的電子密度，TECT隨著SZA的增大而減小，這符合Chapman理論.TECT與TECMoMo比值減小,從圖2的電子密度剖面和圖3可知，隨SZA的增大，M2層峰高抬升，大氣標(biāo)高變化不明顯.

前面已經(jīng)談到，TECB值盡管隨著SZA的增大而減小，但其相對(duì)于TECMoMo的比例不變.隨SZA增大，雖然NmM1和NmM2都減小，但hmM2升高，導(dǎo)致底部積分區(qū)間增大，因此導(dǎo)致其比值不變.從圖2可知，在SZA很大時(shí)，由于主峰電子密度較小，而且圖3中大氣標(biāo)高變化不大，100 km以下的電子密度對(duì)TEC的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì).換言之，隨SZA的增大，200 km以上的電離層電子含量對(duì)于TEC有更大的貢獻(xiàn).

太陽(yáng)輻射變化對(duì)電離層電子密度的控制體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，改變電離產(chǎn)生率；另一方面，也控制中性大氣所吸收的能量，引起大氣組分與溫度變化，導(dǎo)致大氣膨脹或收縮.圖5顯示，底部和頂部電離層電子密度都隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而增大.從圖5可看出，TECB、TECT和TECMGS與太陽(yáng)輻射成正相關(guān)，但其增大有減緩趨勢(shì)，指示火星電離層可能存在類似地球電離層的飽和特征.從表1可知，TECT比TECB的飽和趨勢(shì)更明顯.

如圖7a所示，隨著太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)，M1和M2層峰值密度之比增大，說(shuō)明M1層對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)有更強(qiáng)的響應(yīng).M1和M2層對(duì)太陽(yáng)輻射響應(yīng)的差異可能源于兩層的主要電離源不同(Hensley and Withers，2021).M2層主要的電離源是太陽(yáng)EUV(He-II 30.4 nm)(Rishbeth and Mendillo，2004)；M1層是軟X射線(1～15 nm).CO2的吸收截面在軟X射線波段小于EUV波段，X射線可以穿透到火星大氣更低的高度.另外一方面，更短波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射具有更高的能量，電離可產(chǎn)生更多的離子電子對(duì)(Schunk and Nagy，2009).隨著太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)，短波長(zhǎng)太陽(yáng)輻射增強(qiáng)顯著(Woods and Eparvier，2006；Lean et al.，2011).

圖7 M1和M2層的峰值密度之比以及200 km以上的電子含量隨太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)的變化Fig.7 The ratio of the two peak densities and electron content above 200 km vary with the solar activity index

這進(jìn)一步導(dǎo)致M1層會(huì)擁有比主峰M2層更加明顯的太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng).

隨太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，MGS TECMGS出現(xiàn)飽和特征，但其與TECMoMo的比值減小，可以推理200 km以上電子含量對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)變化響應(yīng)會(huì)更為明顯，出現(xiàn)放大特征.MoMo模型是Bergeot等(2019)根據(jù)火星快車TEC數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)TEC與太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)呈線性關(guān)系，進(jìn)而發(fā)展的TEC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浒嘶鹦请婋x層整體的電子含量.將MoMo模型與MGS數(shù)據(jù)的TECMGS相減則可以研究200 km以上電子含量變化，如圖7b所示，200 km以上電子含量隨F10.7P增大出現(xiàn)放大趨勢(shì).Sánchez-Cano等(2015)利用火星快車的數(shù)據(jù)研究了M2層峰高以上頂部電子含量隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化，發(fā)現(xiàn)隨太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)，頂部電子含量增大，其增量也增大，進(jìn)一步驗(yàn)證了我們的推理.而主峰峰高和峰高處的大氣標(biāo)高沒(méi)有隨太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生明顯變化，說(shuō)明在134.5 km高度附近大氣的溫度并沒(méi)有隨太陽(yáng)輻射的增大而發(fā)生明顯變化.Duru 等(2019)研究發(fā)現(xiàn)在500 km處，太陽(yáng)活動(dòng)高年的有效溫度會(huì)遠(yuǎn)大于太陽(yáng)活動(dòng)低年的溫度.因此可能是M2層峰高以上中性大氣吸收的太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，導(dǎo)致溫度升高，大氣膨脹，200 km以上的中性密度增大，進(jìn)而導(dǎo)致電子密度增大.而且約在180 km以上，向上傳輸開(kāi)始變得越來(lái)越重要，頂部電子密度對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)越大，向上傳輸?shù)碾娮用芏染蜁?huì)越多.此外，電離層會(huì)隨太陽(yáng)輻射增強(qiáng)而向外膨脹,電離層頂部邊界抬升(Dubinin et al.，2019，F(xiàn)u et al.，2020)，頂部TEC積分區(qū)間增大.這些因素導(dǎo)致頂部電離層對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)更加顯著.

4 結(jié)論

我們利用MGS掩星電離層剖面數(shù)據(jù)和MoMo TEC模型，對(duì)火星不同高度區(qū)域電離層隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化特征進(jìn)行了研究.首先考慮了太陽(yáng)天頂角對(duì)電子密度的影響，發(fā)現(xiàn)隨SZA增大，200 km以上電子含量與TEC的比值增大.選擇固定的SZA研究太陽(yáng)活動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)：

(1)100～200 km區(qū)域內(nèi)的電子含量隨太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)而增大,出現(xiàn)與地球相似的飽和特征，TECT比TECB的飽和趨勢(shì)更明顯；

(2)TECMGS相對(duì)于總TEC的比例不斷減小，借鑒Sánchez-Cano等(2015)的工作，可以推測(cè)200 km以上電子含量隨太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)增大出現(xiàn)放大特征；

(3)M2層峰高和峰高附近的大氣標(biāo)高隨太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)基本保持不變，即M2層峰高處的大氣溫度基本不變.

我們認(rèn)為，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)導(dǎo)致的行星大氣效應(yīng)有：(1)頂部大氣中性溫度升高，大氣膨脹，大氣密度增強(qiáng)；(2)電離層膨脹(Dubinin et al.，2019)和電離成分的變化.加上頂部等離子體輸運(yùn)作用，頂部電離層對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)更加顯著.

致謝美國(guó)宇航局提供了MGS掩星數(shù)據(jù)(https:∥atmos.nmsu.edu/PDS/data/mors_1102/)、NGDC/NOAA 提供F10.7數(shù)據(jù)(ftp:∥ftp.ngdc.noaa.gov)，以及Bergeot等的TEC模型MoMo(http:∥lara.oma.be/marsatmo/iono/momo.html).