早在1722年，英國(guó)物理學(xué)家喬治·格雷厄姆（George Graham）通過(guò)觀察磁針的方向變化注意到地磁場(chǎng)在一天內(nèi)存在規(guī)律性的變化，即地磁場(chǎng)日變化，并推測(cè)這些變化可能與存在空間電流有關(guān)。19世紀(jì)20年代，挪威科學(xué)家克里斯蒂安·伯克蘭（Kristian Birkeland）提出了電離層電流的概念，他認(rèn)為太陽(yáng)電磁輻射能電離高層大氣，形成電離層。在這個(gè)電離層中，高層大氣的潮汐運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)帶電粒子與地磁場(chǎng)發(fā)生切割作用，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了電離層電流。進(jìn)入衛(wèi)星時(shí)代以來(lái)，人們通過(guò)大量衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如SWARM，CHAMP等地磁衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，能較為準(zhǔn)確地獲得電離層電流的空間分布和及其隨時(shí)間變化的規(guī)律（圖1）。

圖1 （左）由CM6模型給出電離層電流分布圖；（右）地球電離層電流體系示意圖

    與地球不同，火星沒有全球性的偶極磁場(chǎng)，但廣泛分布有較強(qiáng)的巖石剩磁，外部太陽(yáng)風(fēng)會(huì)直接與火星大氣/電離層發(fā)生相互作用。此外火星也同樣存在有大氣，也同樣存在由太陽(yáng)電磁輻射加熱驅(qū)動(dòng)的高層大氣潮汐風(fēng)場(chǎng)及電離層。那火星是否也存在有類似地球一樣的電離層電流？假若存在，其物理成因是否也與地球電離層電流的一致？

    利用諸如MGS和MAVEN等衛(wèi)星的磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，已有不少學(xué)者推測(cè)火星也應(yīng)存在類似地球一樣的電離層電流體系。有人提出火星的電離層電流體系是由電離層上面的太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)的。外部太陽(yáng)風(fēng)與火星電離層的直接相互作用會(huì)形成感應(yīng)磁層（如圖2a所示），其中磁層頂電流會(huì)流入到火星電離層高度處，使得火星電離層中具有太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)形成的感應(yīng)電流（Induced current）。也有人提出，火星高層大氣的中性風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)了電離層電流。盡管我國(guó)祝融號(hào)火星車和美國(guó)InSight火星車的火星表面磁場(chǎng)探測(cè)器都證實(shí)了火星表面磁場(chǎng)存在日變化（圖2b），但目前人們依舊缺乏在電離層高度對(duì)電離層磁場(chǎng)或電流的直接觀測(cè)。

    準(zhǔn)確刻畫火星電離層電流體系有助于深入理解太陽(yáng)與火星之間的物質(zhì)能量交換過(guò)程，以及火星離子的加速和逃逸機(jī)制。此外，通過(guò)對(duì)火星電離層電流體系的研究，可以使人們進(jìn)一步理解非磁化行星的空間環(huán)境形成機(jī)理，對(duì)例如金星，木衛(wèi)六Titan，以及系外行星的空間環(huán)境研究也有一定的啟示作用。

圖2 （左）火星感應(yīng)磁層電流體系示意圖，其主要由磁層頂電流體系和磁尾電流體系構(gòu)成；（右）InSight火星車觀測(cè)的火星表面磁場(chǎng)隨地方時(shí)的變化

圖3 火星電離層高度的磁場(chǎng)（a-f）和電流（g-l）在太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)坐標(biāo)系下分布。（a-f）電離層高度磁場(chǎng)三分量在150km和250km的分布規(guī)律；（g-l）電離層高度電流三分量在150 km和250 km的分布規(guī)律

    為了揭示火星電離層電流體系的分布，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所高佳維博士后與合作導(dǎo)師戎昭金研究員、魏勇研究員等首次刻畫了火星電離層高度的磁場(chǎng)和電流分布特征。由于火星擁有區(qū)域性的巖石剩磁，為了避免巖石磁場(chǎng)對(duì)空間電流體系的干擾，他們根據(jù)MAVEN衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，僅使用了無(wú)顯著巖石剩磁區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算了電離層電流和電場(chǎng)的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明火星的電離層電流主要沿著水平方向分布，而垂直方向電流強(qiáng)度較小?；鹦堑碾婋x層中同時(shí)存在兩種電流體系。一種是由電離層上方的太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)的電流主要沿著太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)的方向（圖3），并伴隨著晨昏的電流不對(duì)稱性。另一種由電離層下方的中性潮汐風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的，其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)的電流分布與年平均的中性風(fēng)場(chǎng)分布形態(tài)近似相同，由晨側(cè)赤道處沿高緯度傳輸至昏側(cè)赤道處，并伴有季節(jié)性的電流強(qiáng)度變化。通過(guò)求解電離層電動(dòng)力學(xué)方程 ，研究表明火星電離層中電場(chǎng)項(xiàng)（）要比漂移項(xiàng)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在無(wú)巖石剩磁區(qū)域，電離層電場(chǎng)是電離層電流的主要驅(qū)動(dòng)源。此外，目前對(duì)火星的中性風(fēng)場(chǎng)缺乏實(shí)際觀測(cè)，他們還提出了一種利用電離層電流來(lái)反演火星大氣平均風(fēng)場(chǎng)的方法（圖4），其結(jié)果與MGCM火星大氣模式導(dǎo)出的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果在全球分布上非常接近，證明了利用衛(wèi)星磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演大氣風(fēng)場(chǎng)的可行性。

圖4 （上）由電離層電流推導(dǎo)的火星大氣風(fēng)場(chǎng)；（下）由MGCM模型在150km高度給出的大氣風(fēng)場(chǎng)分布圖

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