GRL:白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源

2020-12-12 中科院地質地球所

解海永等-GRL：白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源

電離層等離子體羽狀結構是指赤道電離層F區底部低密度等離子體在瑞利-泰勒不穩定性作用下，快速上升到F區頂部，並擴展到低緯甚至中緯度地區而形成的大尺度等離子體密度耗空。它能夠對穿越電離層的無線電信號造成閃爍現象，嚴重影響衛星通訊質量和導航定位精度。電離層等離子體羽狀結構自1976年首次被位於秘魯Jicamarca的雷達探測到以來，其特徵和機理已被廣泛研究，如羽狀結構內富含各種尺度的等離子體密度不均勻體（釐米到上百公裡尺度），其通常在日落後產生，日出前消失。

近年來，基於衛星原位觀測發現在白天，電離層F區頂部等離子體密度不均勻體發生較為頻繁。由於以往罕見報導電離層雷達探測的白天F區回波，人們通常認為造成雷達F區回波的米級尺度不均勻體衰落較快，存在時間短，難以持續到白天。針對白天電離層等離子體羽狀結構特徵等問題，中國科學院地質與地球物理研究所公共技術服務中心空間環境探測實驗室解海永高級工程師和李國主研究員等利用三亞VHF相干散射雷達，發展空間幹涉成像探測技術，在2016年11月至2020年8月對白天可能出現的等離子體羽狀結構開展長期觀測實驗，試圖解決如下科學問題：造成白天電離層F區回波的米級尺度不均勻體出現機率？白天F區回波是否由電離層等離子體羽狀結構造成？白天等離子體羽狀結構起源何處？

通過利用三亞VHF雷達幹涉成像獲得回波空間位置，結合衛星原位探測的等離子體密度研究白天電離層F區回波和等離子體羽狀結構。實驗首次給出白天電離層F區回波在太陽活動低年夏季出現較為頻繁，其主要源自電離層等離子體羽狀結構內米級尺度的場向不均勻體後向散射；白天等離子體羽狀結構在電離層F區頂部依然維持百公裡尺度垂直結構（圖1）。進一步分析認為，三亞VHF雷達觀測的白天等離子體羽狀結構，可能來自於100°-125°E經度區夜間產生的羽狀結構：在高度方向，羽狀結構運動到F區頂部，那裡的背景環境可能提供了羽狀結構生存到白天的條件；在經度方向，羽狀結構隨背景電離層一起運動漂移到三亞經度區。該研究更新了以往對電離層等離子體羽狀結構特徵的認識，對等離子體羽狀結構的有關物理機制解釋提出了新的要求。由於這些白天等離子體羽狀結構並未引起電離層閃爍現象，羽狀結構內不同尺度不均勻體的特徵仍有待進一步研究。

圖1 （a和e）三亞VHF雷達觀測的白天電離層F區回波；（b-d和f-h）空間幹涉成像回波空間位置

研究成果發表於國際權威學術期刊GRL。（解海永，楊思朋，趙秀寬，胡連歡，孫文杰，武志，寧百齊，劉立波，李國主*, Unexpected high occurrence of daytimeF-region backscatter plume structures over low latitude Sanya and theirpossible origin. Geophysical Research Letters, 47: e2020GL090517.DOI:10.1029/2020GL090517）。該成果受國家自然科學基金（No. 42020104002,41904141,41727803,42074190）資助。

校對：李玉鈐

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