GRL:白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源

2020-12-04 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

相關焦點

  • GRL：白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源
    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？
  • 地質地球所揭示白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源
    地質地球所揭示白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源 2020-12-03 地質與地球物理研究所 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。實驗發現，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。
  • 磁暴時電離層不規則結構特徵研究
    長期以來，磁暴期間電離層不規則結構的產生與發展特徵研究一直是電離層閃爍研究的重要課題以往研究表明暴時低緯電離層不規則結構的出現通常歸因於：1）暴時磁層、高緯電場穿透進入低緯和赤道地區。增強的東向電場通過E×B垂直漂移等影響底部F層密度梯度，從而增加瑞利-泰勒不穩定性；2）暴時赤道地區產生的不規則結構沿著磁力線向南北延伸到達低緯甚至中緯度地區。
  • 研究揭示日食期間共軛半球電離層響應機制
    日食期間，電離層/熱層在日食陰影區的密度溫度擾動，可能通過熱層大氣環流變化、沿磁力線的等離子體輸運、沿磁力線的熱傳導等過程，從一個半球傳到其磁共軛半球。2020年6月21日的日環食橫跨亞洲中緯地區，其磁共軛在南半球的澳洲有被觀測到，此期間還有一些相關的衛星飛過日食區及共軛半球，這為研究日食期間電離層共軛半球響應提供了良好的條件。
  • 電離層擾動對太陽能動態光譜有何效應?
    (TIDs)是地球電離層不規則現象之一。它們表示在電離層中傳播的波狀電子密度結構。TIDs的運動調節了空間中電子密度分布。它導致等離子體參數的改變，即折射率的改變，影響無線電波的傳播。在特殊情況下，等離子體參數的變化會強烈影響低頻電磁波，從而導致入射輻射的聚焦或放大(Meyer-Vernet et al. 1981)。
  • 用雷射-等離子體放大器觀察熱稠密等離子體中的非線性電離動力學
    江蘇雷射聯盟導讀：一個來自德國耶拿大學的研究團隊使用飛秒相干紫外光和一個新穎的四維模型，觀察到高電離氪等離子體成功的形成和相互作用。這一研究將最終會將光輸送到宇宙中的物理形態。儘管研究等離子體是一件幾乎不可能的事情，等離子體在實驗室中是一個非常容易獲得的事情，捕獲電離態和緻密的等離子體的方法也是極端有限制的。研究電離態的物質對於理解宇宙的物質的形成的相互關係是非常關鍵的，因為觀察到的黑物質的85%都是由等離子體所組成的。
  • PetitSat:追尋電離層中的斑塊和氣泡
    在約80公裡以上的熱層大氣已經非常稀薄，在這裡陽光中的紫外線和X射線可以使得空氣分子電離，自由的電子在與正電荷的離子合併前可以短暫地自由活動，這樣在這個高度造成一個等離子體。在這裡自由電子的數量足以影響電波的傳播。 電離層不是由規則的、平滑的層組成的，而是由塊狀的、雲一般的、不規則的電離的團或者層組成。
  • NASA MAVEN探測器發現火星電離層中的層和裂痕
    美國航天局報告說，MAVEN探測器在火星上層大氣（電離層）帶電部分發現了「層」和「裂縫」。這種現象在地球上非常普遍，並造成無法預測的無線電通信中斷。 科學家並不能完全理解這種現象，因為它們形成於在地球上非常難以探索的高度。火星上意外發現的層和裂縫，使科學家得以探索和更好地理解這些現象。
  • NC:等離子體層頂表面波震蕩磁層和極光
    何飛等-NC：等離子體層頂表面波震蕩磁層和極光 太陽風和行星際磁場在驅動地球磁層能量耗散中扮演著決定性角色。當行星際磁場具有南向分量時，太陽風物質和能量就會進入地球磁層，在其中對流，並最終釋放到電離層和高層大氣中，產生絢麗多彩的極光現象。
  • 岢嵐地區熱層中性風場統計特徵和建模研究獲進展
    熱層是從地面85 km以上到約1000 km高度的大氣層，其結構主要受太陽輻射和地磁活動的影響，與電離層通過中性成分和電離成分的碰撞相互耦合。熱層中性風場在電離層-熱層耦合系統中的動力過程和沿磁力線的傳輸過程中起到重要作用。以往對於熱層中性風的觀測主要來源於衛星搭載加速度儀、非相干散射雷達探測和FPI光學幹涉儀。
  • Journal of Geophysical Research：岢嵐地區熱層中性風場統計特徵和建模研究
    熱層是從地面85km以上到大約1000km高度的大氣層，其結構主要受太陽輻射和地磁活動的影響，和電離層通過中性成分和電離成分的碰撞而相互緊密耦合。熱層中性風場在電離層-熱層耦合系統中的動力過程和沿磁力線的傳輸過程中起到了關鍵作用。在以往對於熱層中性風的觀測主要來源於衛星搭載加速度儀，非相干散射雷達探測和FPI光學幹涉儀。但是大部分地基觀測主要集中在北美和歐洲地區，基於這些觀測，關於中緯地區熱層風場特徵被大量報告，並且推出了一系列理論和經驗風場模型。美國大氣物理中心研發的HWM系列全球中低高度大氣層和熱層水平風場模型是目前使用最為廣泛的版本。
  • 科學網—我國電離層研究取得系列成果
    我國電離層研究取得系列成果
  • 誤差源和方程解算——誤差預算、用戶等效距離誤差和電離層太陽
    大氣延遲誤差是這些偏差之一，包括電離層效應（dion）和對流層效應（dtrop）。對流層效應對全站儀和電子測距儀（EDM）用戶來說可能熟悉，即使電離層效應不同於此。其他偏差，時鐘誤差用(dt-dT)符號代表、接收機噪聲(εp和ε)、多路徑效應(εmp和εm)和軌道誤差（dρ），其是對衛星測量獨一無二方法。正如你所知，這些誤差有不同的來源。
  • 電離層:地球大氣的高空魔鏡
    它的密度、溫度、壓力、成分和電離度等隨著高度、經緯度時而變化。我們熟悉的對流層、平流層、散逸層等，是按地球大氣溫度隨高度分布的特徵來分的。如果按大氣電離狀況分層，則可分為中性層、電離層和磁層。與「老實」的中性層相比，電離層可謂是相當不安分。在中性層中，原子和分子的電子被原子核牢牢吸引住，因而中性層並不導電。
  • 研究發現極光邊界波動是等離子體層頂表面波的光學表象
    當行星際磁場具有南向分量時，太陽風物質和能量就會進入地球磁層，在其中對流，並最終釋放到電離層和高層大氣中，產生絢麗多彩的極光現象。在磁層中傳播的大部分電磁能量由超低頻波（Ultra-low Frequency,ULF,0.1 mHz～10 Hz）攜帶，並能耦合不同的等離子體區域。ULF波在產生準周期性地磁脈動和加速輻射帶高能離子方面具有重要作用。
  • 火星電離層也有「階層」和「裂痕」
    科技日報北京2月10日電 （記者張夢然）據英國《自然》網站、美國國家航空航天局（NASA）官網近日消息稱，NASA的「火星大氣與揮發物演化」任務探測器（MAVEN）在火星的上層大氣帶電部分（電離層）中，發現了「階層」和「裂痕」。
  • 美國成功發射電離層探索太空飛行器
    新華社華盛頓10月10日電（記者周舟）美國航天局「電離層連接探索」（簡稱ICON）太空飛行器10日搭乘在萬米高空中點火起飛的火箭進入軌道，探索地球與太空交界之處的「電離層」。這次發射的獨特之處在於，它由「飛機加火箭」接力完成。
  • 等離子體的隱形原理是什麼
    而等離子體是電離的氣體，由大量自由電子和離子以及中性粒子組成，是物質的一種奇特聚集態。因此，等離子體又被稱為物質的第4態或等離子態。　　等離子體隱形的基本原理是：利用等離子體發生器、發生片或放射性同位素在兵器表面形成一層等離子云，設計等離子的特徵參數（能量、電離度、振蕩頻率和碰撞頻率等）滿足特定要求。等離子體是一種特殊的濾波器。
  • 火焰含有等離子體嗎?
    有些火焰確實含有等離子體，而有些火焰則沒有。為了正確回答這個問題，我們確實必須首先嚴格定義「等離子」的含義。教科書中對等離子體的定義是電離氣體。「電離氣體」是指一些電子已完全從構成氣體的原子上剝離下來。有效自由的電子帶負電，而最終的電離原子最終帶正電。「離子」是具有不相等數量的電子和質子的原子。這個定義是一個很好的起點，但是還不夠準確。