電離層中時時刻刻存在著各種擾動,空間尺度可以從幾厘米到幾千公里,形態(tài)和特性千差萬別,時間上可以持續(xù)從幾分鐘到幾天不等。各種來自太陽的、低層大氣的以及固體地球的激發(fā)因素都會導(dǎo)致電離層擾動的產(chǎn)生。這些擾動會干擾無線電通訊,引起信號閃爍,對人們的通信、航空航天等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。截至目前,許多擾動的發(fā)生規(guī)律、經(jīng)緯度變化、運動特性以及物理機制都不是特別明確。在此背景下,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所團隊基于國內(nèi)子午工程、中科院日地網(wǎng)、地殼形變網(wǎng)以及南中國不均勻體和閃爍觀測網(wǎng)(IONISE)等地基GNSS觀測數(shù)據(jù),針對電離層E區(qū)和F區(qū)不同類型的電離層擾動和不均勻體開展了綜合觀測研究。
圖1 中國地區(qū)大尺度強Es結(jié)構(gòu)統(tǒng)計結(jié)果。(a) 發(fā)生季節(jié)和地方時統(tǒng)計規(guī)律;(b) 延展方向和尺度統(tǒng)計規(guī)律;(c) 漂移特性統(tǒng)計規(guī)律;(d) 大尺度強Es結(jié)構(gòu)初始產(chǎn)生源區(qū)
電離層E區(qū)的擾動主要是Es和其伴隨的E區(qū)不均勻體,傳統(tǒng)觀測一般是基于地基雷達(dá),比如測高儀等。但地基雷達(dá)往往站點較少,很難得到大尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)和運動。之前的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Es臨界頻率足夠高時,可以在TEC中引起毛刺狀的擾動。(1)利用多年GNSS組網(wǎng)觀測數(shù)據(jù),孫文杰等(2021a)針對大尺度強Es(大于1000 km)結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計觀測,如圖1所示,結(jié)果表明:大尺度強Es結(jié)構(gòu)高發(fā)于夏季,多為西北-東南向的帶狀結(jié)構(gòu),并以30-180m/s的速度向西南方向漂移;這種大尺度強Es結(jié)構(gòu)主要形成于20-45°N/100-125°E區(qū)域上空,結(jié)合以往重力波的觀測研究推測,其產(chǎn)生可能與青藏高原獨特的地勢激發(fā)的對流產(chǎn)生的重力波源有關(guān)。(2)利用高時間分辨率的GNSS數(shù)據(jù),孫文杰等(2021b)提出了一種表征強Es不均勻體的指數(shù)HR-ROTI,利用該指數(shù)和閃爍觀測,發(fā)現(xiàn):強Es層內(nèi)部小尺度不均勻結(jié)構(gòu)的典型空間尺度和空間間隔分別約為7km和7-16km;強Es不均勻體在中緯和低緯引起幅度閃爍的概率分別為37%和12%,如圖2所示。
圖2 (上)分別由HR-ROTI和ROTI得到的Es不均勻結(jié)構(gòu)的典型時間尺度和不均勻結(jié)構(gòu)之間的典型時間間隔。(下)北京和三亞HR-ROTI分別與foEs和幅度閃爍指數(shù)S4的統(tǒng)計關(guān)系
在電離層F區(qū),(1)胡連歡等(2021)統(tǒng)計研究了與中尺度行進(jìn)式電離層擾動(MSTID)相關(guān)的周期性TEC擾動的發(fā)生特征,如圖3所示,結(jié)果表明,白天電離層周期性擾動主要出現(xiàn)在冬季,其發(fā)生率在高緯度和低緯度出現(xiàn)兩個峰值,而在30-33°N左右的區(qū)域,發(fā)生率很小,是一個谷區(qū);利用北京和三亞兩個短基線GNSS接收陣列,得到了周期性電離層擾動的傳播特性,結(jié)果表明這種擾動在中緯和低緯傳播方向均為東南向,方位角為150度左右,周期在30-40分鐘,速度分別為97 m/s和62 m/s,體現(xiàn)出典型的MSTID的特性。(2)趙秀寬等(2021)利用多年GNSS數(shù)據(jù),對比分析了亞洲和美洲扇區(qū)等離子體泡的變化特征,分析了其季節(jié)變化、空間分布,以及隨太陽活動和地磁活動的響應(yīng)特征,如圖4所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn):由于地磁場的結(jié)構(gòu)不同,兩個扇區(qū)的等離子體泡特征表現(xiàn)出明顯的差異;亞洲扇區(qū)的等離子體泡出現(xiàn)率與太陽活動呈正相關(guān),在美洲扇區(qū),這種關(guān)聯(lián)性在2000-2002年并不明顯。
圖3 白天周期性TEC擾動發(fā)生率的緯度變化
圖4 (a-b) 亞洲和美洲扇區(qū)1997-2018年期間赤道等離子體泡發(fā)生率;(c)等離子體泡發(fā)生率平均值與對應(yīng)時段的F10.7平均值;(d-e) 等離子體泡發(fā)生率與F10.7相關(guān)關(guān)系
以上成果主要利用了子午工程的GNSS數(shù)據(jù),部分涉及到子午工程測高儀和流星雷達(dá)數(shù)據(jù),在美洲扇區(qū)的數(shù)據(jù)也利用到了國際子午圈的觀測。成果主要針對不同高度上不同類型的電離層擾動進(jìn)行了研究,揭示了這些不同種類不均勻體的發(fā)生規(guī)律、運動特性、產(chǎn)生源區(qū)、經(jīng)緯度差異和可能的物理機制。觀測結(jié)果暗示低層大氣的活動可能對電離層不均勻結(jié)構(gòu)和擾動的產(chǎn)生具有一定的調(diào)制作用,揭示了低層大氣擾動源和背景電子密度在電離層周期性擾動發(fā)生特征中的控制作用。這些工作對研究電離層不同高度之間的耦合、以及電離層與低層大氣的耦合,具有一定的啟示意義。
供稿 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 孫文杰
編輯 宮曉艷 陳瑋