孙文杰等-GRL封面|激光雷达和无线电雷达联测首次揭示金属离子团块中的等离子体泡结构

今日新闻 2025年07月11日 02:31 3 admin

赤道等离子体泡是一种出现在电离层F区（一般在200 km以上）等离子体密度耗空的不均匀体结构，一般利用无线电雷达观测到，如利用非相干散射雷达可观测到电子密度剖面中的等离子体泡耗空结构，利用相干散射雷达可观测到等离子体泡不均匀体的后向散射回波。金属离子主要存在于电离层E区高度（100 km附近），其密度剖面可利用激光雷达观测到。由于金属离子在电离层F区含量很低，因此以往的研究从未在金属离子剖面中观测到等离子体泡结构，对于促进等离子体泡产生的不稳定性是否可在金属离子剖面中发展也并不清楚。

图1 海南乐东MIOS VHF雷达与儋州激光雷达地理位置与观测视场。其中蓝色实线框定VHF雷达在(a)方位角和(b)仰角方向的波束，蓝色虚线为波束中心，红色实线为激光雷达垂直探测波束，(a)中黑色虚线为乐东视线方向在不同高度垂直于磁力线的位置，(b)中黑色虚线为磁力线。

我国低纬海南地区是等离子体泡高发区域，近年来新建了乐东MIOS甚高频（VHF）相干散射雷达（中国科学院地质与地球物理研究所）与儋州钙离子激光雷达（中国科学院国家空间科学中心）。乐东VHF雷达探测视场与儋州激光雷达垂直波束在200 km高度附近恰好覆盖同一区域（图1），因此可协同观测得到该高度区附近的同一结构。基于激光雷达和VHF雷达联合探测，中国科学院地质与地球物理研究所孙文杰高级工程师联合中国科学院国家空间科学中心焦菁副研究员，首次在金属离子剖面中观测到了电离层等离子体泡结构。如图2所示，2024年10月31日夜间，激光雷达捕获到出现于电离层谷区至F区高度的钙离子团块。有趣的是，在该钙离子团块的密度剖面中，观测到数个密度耗空结构（如数字1、2、3、4所示），其中耗空结构1和2主要出现于200 km以上的电离层F区，且结构2展现出分叉形态，而耗空结构3和4的起始高度低至150 km高度的电离层谷区。这些结构与以往利用无线电雷达观测到的等离子体泡结构类似，其耗空特性和分叉形态是典型的等离子体泡特征。

图2 2024年10月31日儋州激光雷达观测的钙离子剖面，白色数字标出了剖面中的密度耗空结构，黑色虚线为不同高度的日落时间。

图3所示为同一时段MIOS VHF雷达的探测结果。结果显示，雷达在14:30-15:30 UT观测到2团等离子体泡不均匀体后向散射回波，回波出现时间与激光雷达钙离子剖面中的耗空结构1和2一致。基于雷达干涉成像，得到不均匀体的形态结构（图3b中的黑色散点），恰好与钙离子团块中的耗空区域1和2吻合，其中雷达干涉成像得到的结构2分叉形态也与激光雷达观测结果一致。VHF雷达的观测结果证实激光雷达钙离子剖面中的耗空/分叉结构为等离子体泡。然而，对于低至电离层谷区高度的耗空结构3和4，VHF雷达并未观测到对应的不均匀体回波。

图3 2024年10月31日(a)乐东VHF雷达回波与(b)基于雷达干涉成像得到的不均匀体结构形态（黑色散点），灰色散点所示为离子密度大于4个/cm3的钙离子团块区域。

结合电离层测高仪的观测（图4a），发现等离子体泡1和2出现高度与测高仪反演的电子密度剖面F层高度一致，而等离子体泡3和4出现在F层底部以下的谷区。在谷区高度，电子密度很低，因此一般很难观测到等离子体泡结构，而出现在谷区至F区高度的金属离子团块，则类似于“显影剂”，使得谷区和F区的等离子体泡耗空结构都得以“显形”。需要注意的是，等离子体泡结构出现于谷区并不意味着其起源于谷区高度。海南处于低纬地区，其谷区高度150 km沿磁力线对应于磁赤道上空约500 km的F区高度，因此在海南上空观测到的谷区高度等离子体泡实际为磁赤道上空F区高度的等离子体泡沿磁力线的映射结构。进一步利用GNSS观测发现，所有等离子体泡结构，包括低至谷区的等离子体泡3和4，均对应于TEC（电子总含量）耗空（图4b）和ROTI（TEC变化率指数，表征公里尺度不均匀体）增强（图4c-d）。ROTI切片结果表明，等离子体泡3和4处于不均匀体发展末期，此时等离子体泡中的小尺度不均匀体可能已消散，因此VHF雷达无法观测到对应的米级尺度不均匀体回波。

图4 2024年10月31日(a-b)基于测高仪观测反演得到的电子密度剖面与沿(c-d)109°E和19°N的ROTI切片。其中(a)和(b)中分别叠加了钙离子团块的结构与穿刺点恰好位于激光雷达视场上空的北斗同步卫星TEC曲线。

该成果基于MIOS相干散射雷达和钙离子激光雷达联测，首次揭示了不同高度金属离子团中的等离子体泡结构，结果表明等离子体泡可在低纬电离层谷区出现，改变了以往对其高度分布的认识，为赤道等离子体泡产生与演化研究提供了重要参考。

相关研究成果以封面文章发表在空间物理学国际学术期刊Geophysical Research Letters（孙文杰，焦菁，杨国韬，李国主，解海永，赵必强，朱亚军，王霄，胡连欢，郑浩然，郑兵，杜丽芳，燕春晓，First observation of ionospheric plasma bubble signatures by Ca+ lidar at low latitude [J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52 (6): e2025GL114696. DOI: 10.1029/2025GL114696）。

成果受国家自然科学基金项目(42020104002，42404180，42374204，41727803)、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目(YSBR-018)、中科院日地网和子午工程等联合资助。