電離層的等離子體密度受到等離子體產(chǎn)生率、等離子體復(fù)合率和輸運過程的影響。一般來講,日出之后由于光電離的作用,等離子體產(chǎn)生率較高,等離子體密度會逐漸增大,并在正午附近達到最大值;日落之后由于太陽輻射的消失,等離子體密度逐漸降低,在午夜附近達到最小值。然而,由于電離層自上受到來自太陽活動的影響,自下受到來自低層大氣和地球活動的影響,因此存在著各種時空尺度的擾動結(jié)構(gòu)和不均勻體。而中國扇區(qū)所處的中低緯地區(qū),受到來自極區(qū)能量注入和赤道電場的雙重影響,是空間環(huán)境變化的橋梁地帶,因此各類電離層擾動結(jié)構(gòu)和不均勻體頻發(fā)。近日,子午工程團隊成員,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所團隊,分別針對靜日和擾動日中國扇區(qū)的電離層擾動結(jié)構(gòu)和不均勻體進行觀測研究,取得了一些觀測結(jié)果。
靜日的電離層實際上并不平靜。針對靜日的觀測發(fā)現(xiàn),中國扇區(qū)的電離層會呈現(xiàn)出多姿多彩的異常結(jié)構(gòu),包括:(1)背景電離層的等離子體密度在東西方向上具有不對稱性,可東高西低,也可西高東低,這種不對稱結(jié)構(gòu)局限在特定的緯度范圍內(nèi);(2)日出后的等離子體密度并不總是持續(xù)增加,也會出現(xiàn)延展數(shù)千公里的大尺度密度耗空結(jié)構(gòu);(3)日落后的等離子體密度并不總是持續(xù)減小,午夜前和午夜后均會出現(xiàn)突發(fā)的電子密度增強。
圖1 沿北緯21°和東經(jīng)110°觀測到的北斗同步衛(wèi)星TEC與對應(yīng)ROT,(上)2018年7月10日數(shù)據(jù),(下)2018年7月月均值
以日出后的等離子體密度耗空為例,圖1所示為沿著北緯21°和東經(jīng)110°觀測到的電離層電子密度總含量(TEC)以及TEC變化率(ROT)的觀測結(jié)果,本該在日出后持續(xù)增大(如圖1下所示的月均值)的TEC在世界時02時左右(北京地方時≈世界時+8小時)突然減小,出現(xiàn)耗空,該現(xiàn)象在不同經(jīng)度上幾乎同時發(fā)生,并且具有從低緯向更高的緯度傳播的趨勢。結(jié)合典型站點測高儀觀測到的電離層剖面(圖2),發(fā)現(xiàn)在耗空結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時,電離層剖面被持續(xù)下壓,相比于月均值,F(xiàn)2層峰值密度先增大后減小,而TEC只體現(xiàn)為減小。分析認為,其驅(qū)動因素可能是極向的風(fēng)場。在極向風(fēng)作用下,等離子體沿著磁力線被壓縮到更低的高度更薄的空間內(nèi),因此等離子體總量雖然不變但密度會先增大;而更低的高度上等離子體復(fù)合率更高,導(dǎo)致接下來等離子體密度和總量持續(xù)減小,進而發(fā)生等離子體密度耗空現(xiàn)象。
圖2 從上往下依次為在三亞、邵陽和武漢觀測到的等離子體密度剖面月均值、事件當(dāng)日等離子體密度剖面、F2層峰值密度和北斗同步衛(wèi)星TEC,其中白色點線為F2層峰高,灰色虛線為對應(yīng)的月均值。
擾動日的電離層往往會出現(xiàn)更大時空尺度的擾動結(jié)構(gòu)和不均勻體。針對太陽活動、低層大氣活動、地球活動等期間的電離層觀測發(fā)現(xiàn):(1)磁暴期間,中國扇區(qū)與鄰近的巴基斯坦區(qū)域的電離層等離子體密度呈現(xiàn)出此起彼伏的大尺度響應(yīng)特征;(2)平流層增溫期間,電離層出現(xiàn)類潮汐結(jié)構(gòu),且該類潮汐結(jié)構(gòu)演變特征與中間層風(fēng)場結(jié)果具有較好的一致性;(3)湯加火山的爆發(fā)激發(fā)了中國扇區(qū)的反季節(jié)超級赤道等離子體泡和大面積GNSS信號衰減。
圖3 2022年1月15日(上)世界時10:30-18:00時段內(nèi)的S4指數(shù)和GNSS信號衰減以及(下)10:15-14:30的ROTI地圖,其中紅色虛線為日落線。
以2022年1月15日湯加火山爆發(fā)后的電離層不均勻體觀測為例,圖3所示為火山爆發(fā)約8個小時后中國區(qū)域觀測到的大范圍GNSS信號幅度閃爍和信號衰減,以及赤道等離子體泡演變過程。日落后,在中國區(qū)域依次觀測到3個赤道等離子體泡產(chǎn)生。這些赤道等離子體泡在產(chǎn)生后慢慢向西漂移并逐漸向更高緯度延展,最北端擴展到35°N附近的中緯地區(qū)。在中國扇區(qū),赤道等離子體泡一般高發(fā)于太陽活動高年春秋季,可觀測范圍多局限在磁緯±20°之間,而該事件發(fā)生在太陽活動低年的冬季,且影響范圍到達中緯地區(qū),因此是一次反季節(jié)超級赤道等離子體泡事件。圖4所示為湯加火山爆發(fā)后在平流層和電離層激發(fā)的擾動波傳播過程。觀測結(jié)果表明,火山爆發(fā)引起的擾動波到達中國扇區(qū)的時間與等離子體泡產(chǎn)生時間吻合,該擾動波可作為觸發(fā)赤道等離子體泡產(chǎn)生的種子因素;另一方面,強烈的擾動波結(jié)構(gòu)內(nèi)部的東向極化電場可進一步抬升電離層,為瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增大創(chuàng)造了有利條件,進而導(dǎo)致反季節(jié)超級赤道等離子體泡的產(chǎn)生。
圖4 湯加火山爆發(fā)后 (a) 由AIRS 4.3μm輻射觀測到的平流層重力波, (b-c) 湯加火山到亞洲扇區(qū)路徑上的多個GNSS臺站觀測到的TEC擾動,(d-e) 利用0-15°N范圍內(nèi)所有GNSS數(shù)據(jù)觀測到的TEC擾動與ROTI,紅色虛線為不同經(jīng)度上的日落時間,(f) 海南樂東測高儀不同等離子體頻率虛高變化,黑色星線為選取5 MHz信號采用1小時濾波后結(jié)果。
本研究的觀測結(jié)果展現(xiàn)了多姿多彩的電離層擾動結(jié)構(gòu)與不均勻體的發(fā)生規(guī)律、形態(tài)特征和演化過程,揭示了太陽活動、低層大氣活動和地球活動等各類擾動源對電離層結(jié)構(gòu)與變化的重要影響,研究結(jié)果表明地球的不同圈層之間存在著千絲萬縷的緊密聯(lián)系,通過不同圈層之間的耦合,劇烈的地質(zhì)活動甚至可對遠在萬里之外的地區(qū)上空的空間天氣、衛(wèi)星通訊和導(dǎo)航等造成巨大影響。