火星的主要表面在地壳结构上呈现显著的二分特征。火星的北半球被低洼的平原覆盖，而南半球则地形更高、崎岖且密布陨石坑。这些不对称性可能伴随着大约25公里的地壳厚度平均变化（或大约200千克每立方米的地壳密度变化），以及地壳磁化和地震波衰减的空间差异。北部低地在火星假设的海洋失去到太空之前，可能曾经拥有表面水。因此，理解火星地壳二分特征的起源有助于限制该行星的古代水文学和能够支持生命的表面条件的时间。火星半球地壳二分特征的起源有广泛的争议。一些研究表明，巨大的撞击打乱了火星的原始地幔，或厚化了南半球的地壳，或开挖了北半球。另一些研究则认为，一个半球的地幔对流驱动了北半球地壳的沉降和重塑，或南半球地壳的厚化和隆起。这些关于地壳二分特征的形成假说预测了火星深部内长期存在的结构，这些结构可能持续到今天。例如，南半球的地壳厚化可能增强深部的热绝缘和放射性能加热，从而导致底层地幔结构的弱化。在这里，我们通过分析火星对与太阳的季节性（即687个地球日）潮汐相互作用的引力响应，研究这些潜在的不均匀性质的特征。火星的重力场可以用球面调和系数表示，其度数为ℓ，阶数为m（Cℓm和Sℓm），在给定的ℓ下，完整波长通常定义为大约2πR/ℓ（R = 3,396公里）。时间变化可以被建模为这些系数的周期性扰动，并分为同相（或“余弦”，A）和（一个四分之一周期）失相（或“正弦”，B）分量。在球对称的行星中，在给定度数和阶数的强迫仅在相同的度数和阶数下激发变形。在这种情况下，潮汐强迫几乎完全作用于2级，并将在更高的级别上对火星的重力场贡献微乎其微。然而，火星内部结构的侧向不均匀性（例如，剪切模量的南北变化）可以与2级强迫耦合，产生显著的3级信号，从而使得ΔC3mAB, ΔS3mAB不等于0。此外，虽然静态重力场对深层密度结构有一定的敏感性（特别是在长波长下），但在各个级别的敏感性都偏向于浅层内部的结构。相比之下，火星的低阶非区域（即m≠0）时变重力场对地幔的剪切模量的侧向变化最为敏感，因为这些不均匀性产生的质量重新分布大于在更浅层内的可比扰动。测量时变重力信号（例如，通过分析轨道航天器的轨迹）相应地提供了约束火星深层不均匀性范围的直接方法。测量火星的季节性潮汐响应为了恢复火星的季节性3级潮汐信号，我们分析了由美国宇航局深空网络（DSN）从几颗火星轨道器获取的地面X波段多普勒跟踪数据。我们使用来源于MGS、ODY和MRO的无线电科学数据，总共跨越16年。我们的数据处理程序遵循了确定火星时变区域（m = 0）重力场的研究方法，但在本研究中扩展以包括季节性（或年度）687天周期内的非区域ℓ = 2和ℓ = 3时变重力场系数。恢复的非区域3级重力场系数扰动显示在表1中（有关区域和2级系数，请参见扩展数据表1）。为了考虑建模的不确定性，特别是那些来自未建模的非重力加速度的不确定性，我们将这些系数的正式不确定性膨胀了15倍。在后续分析中，也如文献28所示，我们通过综合火星一般环流模型对重力系数的影响，直接对大气影响进行建模。