電離層不規(guī)則體通常是指電離層中各種尺度不均勻的等離子體結(jié)構(gòu),最為常見的兩種電離層不規(guī)則體是電離層等離子體泡(EPB)及中尺度行進式電離層擾動(MSTID)。一直以來,對電離層不規(guī)則體的物理機制及演化過程有非常多的研究。但其中大量研究主要關(guān)注的是單個電離層不規(guī)則體(EPB或MSTID)事件的研究,對于它們之間相互作用的研究非常缺乏。當(dāng)MSTID與MSTID相遇、MSTID與EPB相遇以及這些不規(guī)則體與背景高層大氣相互作用會出現(xiàn)什么樣的結(jié)果?這些都是電離層不規(guī)則體研究中的未解之謎。
子午工程空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)團隊成員—中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、空間天氣學(xué)國家重點實驗室徐寄遙研究團隊利用子午工程及全天空氣輝成像儀觀測網(wǎng)氣輝觀測數(shù)據(jù)、數(shù)字測高儀、VHF雷達探測數(shù)據(jù),結(jié)合衛(wèi)星等探測數(shù)據(jù)對電離層不規(guī)則體相互作用的演化過程開展了觀測研究工作。研究中主要使用的氣輝觀測數(shù)據(jù)來源于全天空氣輝成像儀觀測網(wǎng)(圖1),該觀測網(wǎng)是由徐寄遙研究員帶領(lǐng)團隊依據(jù)科學(xué)目標(biāo)在子午工程的基礎(chǔ)上建立的國際上首個獨特的雙層全天空氣輝成像儀觀測網(wǎng)。觀測網(wǎng)觀測范圍覆蓋了我國大陸上空絕大部分區(qū)域,在一些關(guān)鍵區(qū)域幾乎做到了無縫銜接,同時也獲得了連續(xù)多年的觀測數(shù)據(jù)。正是因為有了子午工程和氣輝觀測網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù),使得我們能夠有機會去很好的研究電離層不規(guī)則體這一重要的科學(xué)問題。
圖1. 雙層全天空氣輝成像儀觀測網(wǎng)(a)OH氣輝觀測網(wǎng)(b)紅光(630nm)氣輝觀測網(wǎng)(Xu et al., 2021)
利用子午工程和氣輝觀測網(wǎng)數(shù)據(jù),吳坤等(2021a,JGR)對出現(xiàn)在我國海南上空2018年10月29-30日的MSTID事件進行了深入分析研究(圖2)。發(fā)現(xiàn)該事件中存在兩部分相向運動的MSTID結(jié)構(gòu),其中一部分由東北向西南傳播,另一部分由西南向東北傳播。兩部分MSTID,在富克臺站上空相遇,并發(fā)生相互作用,且相互作用后其傳播速度、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征等較之前均發(fā)生了明顯變化。研究發(fā)現(xiàn),兩部分MSTID相互作用過程中,形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化及演化過程的發(fā)展受制于本身極化電場的驅(qū)動。
圖2. 富克臺站2018年10月29-30日相向運動且發(fā)生相互作用的MSTID氣輝觀測圖 (Wu et al., 2021a)
孫龍昌等(2021,JGR)利用子午工程及氣輝網(wǎng)觀測數(shù)據(jù),對發(fā)生在2013年8月1日的MSTID和EPB事件的相互作用過程進行了深入研究(圖3)。發(fā)現(xiàn)在該事件中,向低緯度傳播的MSTID與東向漂移的EPB結(jié)構(gòu)在赤道異常區(qū)附近發(fā)生了強烈的相互作用,導(dǎo)致二者的形態(tài)及傳播速度發(fā)生劇烈變化。同時,相互作用使得EPB內(nèi)部結(jié)構(gòu)被重新極化,使得雷達觀測到顯著的不均勻體活動和擴展F增強現(xiàn)象。
圖3. 2013年08月01日MSTID與EPB相互作用的觀測結(jié)果。(A)氣輝觀測結(jié)果(B)VHF雷達觀測到的雷達回聲(C)VHF雷達信噪比時間-高度分布 (Sun et al., 2021)
此外,當(dāng)電離層不規(guī)則體與背景高層大氣相互作用又會引起什么樣的結(jié)果呢?羅吉等(2021,JGR)利用子午工程和氣輝網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)對2018年8月8日晚上的MSTID事件進行了深入分析研究(圖4)。發(fā)現(xiàn)該MSTID事件呈現(xiàn)兩個獨特特征:(1)該MSTID結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向,它從最初的從東北向西南方向傳播逐步轉(zhuǎn)向到偏西方向傳播;(2)在氣輝光學(xué)觀測中,子夜后該MSTID結(jié)構(gòu)在40°N以南的區(qū)域逐漸消失。通過研究發(fā)現(xiàn)事件中MSTID結(jié)構(gòu)大角度的偏轉(zhuǎn)是由背景中性風(fēng)水平梯度導(dǎo)致的,氣輝觀測中MSTID事件的南部消失是由于南向風(fēng)驅(qū)動電離層等離子體沿磁力線抬升使得MSTID結(jié)構(gòu)被抬升出全天空氣輝成像儀可觀測的高度范圍造成的。
圖4.興隆臺站2016年8月8日發(fā)現(xiàn)的MSTID大角度旋轉(zhuǎn)及南部相平面消失的氣輝觀測圖 (Luo et al., 2021)
這一系列研究成果得益于子午工程及全天空氣輝成像儀觀測網(wǎng)的科學(xué)布局,使得我們能夠很好的捕捉到這些電離層不規(guī)則體相互作用事件的演化過程。我們發(fā)現(xiàn)在MSTID與MSTID的相互作用過程中,極化電場起到了非常重要的作用。揭示了MSTID與EPB相互作用的演化過程中,相互作用過程能夠引起EPB快速消散及重新激活EPB。此外,發(fā)現(xiàn)熱層中性風(fēng)梯度能夠引起電離層不規(guī)則體傳播方向的改變,南向風(fēng)能使電離層不規(guī)則體抬升,從而在氣輝觀測中消失,糾正了早期研究中部分不正確的解釋。
這些研究呈現(xiàn)了電離層不規(guī)則體間以及與背景高層大氣的相互作用的過程和物理機制,提高了我們對電離層不規(guī)則體產(chǎn)生機制、演化過程、及相互作用的認知,為我們深入理解電離層背景變化對電離層不規(guī)則體演化特征的影響提供了重要依據(jù)。
供稿 國家空間科學(xué)中心 吳坤
編輯 宮曉艷 陳瑋