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| 我國電離層研究取得系列成果 |
2003年萬聖節磁暴事件期間，在東亞和北美低緯地區電離層探測到三次赤道異常增強結構。
本報記者 張雙虎
地球電離層是離我們最近的太空圈層，它與人類高新技術活動乃至日常生活息息相關。電離層環境及其「天氣」變化除威脅到其中的飛行器（多為低軌衛星）安全外，還對無線電通信、衛星導航定位、雷達探測等產生重要影響。電離層研究不僅有重要的學術意義，還具有廣泛的應用和社會經濟價值，因此吸引了全球數百個團隊從事相關研究。
承上啟下的電離層
在距地球60公裡至2000公裡之間的地方，大氣被部分電離形成電離層。電離層既受太陽風、磁暴的影響，又與下面的大氣層直接聯繫，地面附近的多種擾動可以上傳到電離層並和電離成分相互作用。
「電離層是地球上層大氣被太陽短波（極紫外和X射線）輻射所電離產生。它既對太陽活動作出響應，同時又受其下面地球大氣層劇烈氣象活動影響，與中性大氣耦合在一起。」中科院地質與地球物理研究所研究員萬衛星說，「對電離層的研究包括電離層空間天氣、電離層氣候學、電離層與大氣層耦合等主要方面。」
電離層存在不同尺度的擾動和變化。通常將時間尺度較短（周期小於27天）的電離層擾動視為電離層天氣的研究對象，而將時間尺度較長（大於27天）的電離層變化歸結為電離層氣候學的研究內容。
「電離層空間天氣研究電離層對太陽爆發、太陽風暴等的響應，包括電離層暴、電離層短時間尺度的劇烈擾動，以及這些擾動對通信、導航定位的影響定位。電離層氣候學研究電離層長周期的變化，主要有季節變化、年變化、太陽活動周期變化、更長周期趨勢等。」萬衛星說。
近年來，我國科學家在電離層空間天氣、電離層氣候學及電離層與大氣層耦合等研究領域取得了令人矚目的成果，在《地球物理研究學報》（JGR）和《地球物理研究快報》（GRL）等國際一流刊物上發表了大量的高水平論文。例如，5年來，中科院地質與地球物理研究所電離層研究組在JGR上發表論文數約佔「電離層和高層大氣」版塊中同期論文總數的5%，排名僅次於美國國家大氣研究中心。
太陽活動的反光鏡
「太陽電磁輻射是電離層最主要的電離源，太陽活動性變化對電離層變化有強烈的調製作用。因此，我們可以通過對電離層的研究來了解太陽活動。」中科院地質與地球物理研究所研究員劉立波說。
近年來，中科院地質與地球物理研究所及北京大學的電離層研究組，在超級電離層暴、電離層突發騷擾、電離層對太陽活動的響應等方面的電離層天氣與氣候學研究中取得了重要突破。
在電離層突然騷擾現象研究中，北京大學電離層課題組發現向日面電離層總電子增加量與太陽天頂角相關，並進一步明確了耀斑日面位置與電離層總電子含量增加量的關係。萬衛星等人的研究更正了上世紀80年代關於耀斑期間電離層總電子含量的突然增強與地理位置無關的看法，提供了利用全球GPS網監測太陽爆發的一種有效方法。
在電離層氣候學研究中，研究人員基於收集整理最完整的觀測資料，對中低緯地區電離層太陽活動變化性及其在不同高度上依賴性差異進行研究分析，證實電離層太陽活動變化性在中低緯地區非常顯著，與所在高度、緯度和季節有關，還依賴太陽活動的歷史狀態。首次發現電離層總電子含量和在不同高度上電子密度對太陽活動的依賴存在三種變化趨勢。提出電離層太陽活動變化性的解釋模型。
在電離層暴研究中，中科院地質地球所電離層課題組對上個太陽活動周重大太陽風暴事件期間的全球電離層擾動特性進行了研究，揭示了超級電離層風暴的「超級噴泉」效應。
太陽耀斑爆發引起電離層電子密度突然增加，形成電離層突然騷擾，可導致全球短波通信中斷，因而建立太陽耀斑影響電離層過程的理論和應用模型一直是全球關注的重要問題。我國學者構建了一個有實際應用意義的模型，並提出電離層不規則結構與低層大氣耦合有關的新觀點。
這些進展與突破對電離層物理及空間天氣科學的發展具有推動作用，研究成果為探討空間天氣能量的耗散或沉澱提供了新的思路。此外，在空間天氣應用的研究中，上述電離層建模研究為電離層天氣預測等提供了新的依據。
大氣擾動的放大鏡
「電離層中大氣非常稀薄，根據能量守恆定律，地面大氣一個振幅很小的擾動，在電離層中就會形成振幅較大的擾動，因此很容易觀測到。」北京大學教授肖佐說，「地面劇烈的大氣活動，比如火山爆發，地震、海嘯、劇烈的颱風等都會引起電離層的擾動。」
因此，通過對電離層擾動的觀測和分析，可以間接了解地面大氣甚至巖石圈的某些活動，例如颱風、雷暴等劇烈天氣過程，火山爆發、大地震和海嘯等。長期以來，科學家們正努力探求地面災害性活動的電離層響應方式。
近年來，國內學者對大氣潮汐在電離層中形態和傳播研究方面取得了國際關注的成果,給出了電離層與大氣層耦合的直接證據，很好地解釋了電離層中四波結構與地面相應潮汐波季節年際變化的關係。
在地震前兆探求方面，從統計和個例研究兩方面著手，利用電離層多種參量分析地震前的異常變化，得到了一些較明顯的相關現象，顯示震前幾天有臨界頻率和總電子含量的異常增加。通過國際合作，國內研究人員也利用衛星資料分析了大地震期間空間電磁場、高能帶電粒子流量等數據的變化，由於大地震是小概率事件，確切地統計結論還需要更深入地從資料分析和機理探討開展進一步研究。
「地面以下影響大氣活動的因素，如地震發生前地殼的緩慢運動、巖石圈中放射性氣體對底層大氣電場的影響等，在底層大氣中不易被發現，但它最終影響到電離層，也許能夠發現。」肖佐說，「這方面的研究有助於從理論上了解大氣波動的傳播過程，另一方面，尋求地面災害性事件孕育過程中對電離層的可能影響，也就是發現可能存在的相應前兆，作為一種輔助手段，對地面災害事件的預警有重要的價值。目前地震發生時和發生後對電離層的擾動非常明顯，但震前擾動並不清楚，地震預報目前還是爭議較大的一個課題。」
《科學時報》 (2011-11-21 A4 基金)