[论文解读] Variations of the Martian Thermospheric Gravity Wave Activity during the Recent Solar Minimum as Observed by MAVEN

Erdal Yiğit, Alexander S. Medvedev+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 84被引用 17

一句话总结

本研究利用 MAVEN 任务 NGIMS 仪器的原位测量数据，对最近太阳活动极小期火星热层重力波（GW）活动进行了全面的气候学分析。研究揭示了显著的海拔依赖性 GW 活动，峰值出现在约 170 km 高度，夜间振幅超过白天，这是由于波的增益（随背景密度减小而增强）与分子扩散之间的平衡所致，挑战了对流不稳定性在上层热层中限制波振幅的传统观点。

ABSTRACT

Atmospheric gravity (buoyancy) waves (GWs) are of great importance for the energy and momentum budget of all planetary atmospheres. Propagating upward waves carry energy and momentum from the lower atmosphere to thermospheric altitudes and re-distribute them there. On Mars, GWs dominate the variability of the thermosphere and ionosphere. We provide a comprehensive climatology of Martian thermospheric GW activity at solar minimum (end of Solar Cycle 24) inferred from measurements by Neutral Gas and Ions Mass Spectrometer on board Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (NGIMS/MAVEN). The results are compared and interpreted using a one-dimensional spectral nonlinear GW model. Monthly mean GW activity varies strongly as a function of altitude (150-230 km) between 6-25%, reaching a maximum at $\sim$170 km. GW activity systematically exhibits a local time variability with nighttime values exceeding those during daytime, in accordance with previous studies. The analysis suggests that the day-night difference is primarily caused by a competition between dissipation due to molecular diffusion and wave growth due to decreasing background density. Thus, convective instability mechanism is likely to play a less important role in limiting GW amplitudes in the upper thermosphere, which explains their local time behavior.

研究动机与目标

• 表征火星在太阳活动极小期热层重力波（GW）活动的时空变化特征。
• 理解观测到的本地时间变化中 GW 振幅差异的驱动机制，特别是夜间增强现象。
• 利用一维非线性谱重力波模型解释 GW 活动，评估波增益与耗散的相对作用。
• 量化 GW 在高度、本地时间与纬度上的气候学行为，为火星高层大气动力学提供基准参考。

提出的方法

• 分析了 MAVEN 任务 NGIMS 仪器在 2014–2020 年太阳活动极小期期间，150–230 km 高度范围内的原位中性密度测量数据。
• 将相对密度扰动（ρ′/ρ̄）作为 GW 活动的代理指标，覆盖月、日及轨道时间尺度。
• 通过在高度、本地时间与纬度上分箱处理数据，构建了 GW 活动的气候学图谱，并利用标准误分析量化统计不确定性。
• 应用一维非线性谱重力波模型，模拟波向上传播过程，包含由分子黏性与非线性扩散引起的阻尼效应。
• 利用该模型检验假设：GW 振幅的昼夜差异源于波增益与耗散之间的竞争。
• 将模型结果与观测到的 GW 活动模式进行验证，特别关注其高度与本地时间依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在火星太阳活动极小期，热层重力波活动的海拔依赖性如何？
• RQ2 为何火星热层中夜间重力波振幅大于白天？
• RQ3 在上层热层中，决定重力波振幅演变的物理机制是耗散还是波增益占主导地位？
• RQ4 GW 活动的纬向分布特征在低层与高层大气之间有何差异？这对波过滤机制有何启示？
• RQ5 对流不稳定性在多大程度上限制了热层中 GW 的振幅？它是否是导致观测到的昼夜不对称性的关键因素？

主要发现

• 月均重力波活动在 6% 至 25% 之间随高度强烈变化，峰值出现在约 170 km 高度。
• 夜间重力波振幅超过白天，最大值出现在太阳天顶角较大的区域。
• GW 活动的昼夜差异主要源于波增益（随背景密度减小而增强）与耗散（分子扩散）之间的竞争，其中在上层热层中波增益占主导地位。
• 重力波活动在中高纬度最强，与低层大气中低纬度最大值形成对比，表明背景风对波的显著过滤作用。
• 对流不稳定性机制不太可能是上层热层中限制波振幅的主导因素，因为观测到的本地时间行为更符合增益与耗散之间的平衡机制。
• 气候学 GW 活动估计的统计不确定性较低，所有剖面的相对不确定性均未超过 1%。