探索宇宙奧秘 · 理性思考

深夜，你正用手機(jī)導(dǎo)航穿越城市，屏幕上的定位圖標(biāo)突然開始漂移。衛(wèi)星通信信號(hào)閃爍不定，GPS接收器陷入迷茫。這種看似神秘的干擾，往往源自赤道上方數(shù)百公里處發(fā)生的物理現(xiàn)象——赤道等離子體泡（EPB）。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心依托子午工程，歷時(shí)一年半的連續(xù)觀測(cè)，首次精確刻畫了中國(guó)南部上空這類"電離層空洞"與高層大氣風(fēng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，相關(guān)成果發(fā)表于《地球物理學(xué)研究雜志：空間物理學(xué)》。

赤道等離子體泡是低緯度電離層中一種劇烈的等離子體密度耗空現(xiàn)象。日落之后，電離層底部會(huì)因瑞利-泰勒不穩(wěn)定性產(chǎn)生上涌的氣泡狀結(jié)構(gòu)。這些氣泡內(nèi)部電子密度極低，像一面面不規(guī)則的鏡子反射和散射無線電信號(hào)。

當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)穿過EPB時(shí)，會(huì)發(fā)生快速波動(dòng)和閃爍。嚴(yán)重時(shí)，通信鏈路直接中斷。赤道地區(qū)的衛(wèi)星通信、GPS導(dǎo)航和雷達(dá)系統(tǒng)長(zhǎng)期受其困擾。理解并預(yù)測(cè)EPB的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是空間天氣預(yù)報(bào)的核心課題之一。

驅(qū)動(dòng)EPB漂移的關(guān)鍵力量來自熱層中性風(fēng)。但熱層位于地表250公里以上，空氣極其稀薄，直接探測(cè)難度極大。長(zhǎng)期以來，中國(guó)南部上空的EPB運(yùn)動(dòng)與中性風(fēng)關(guān)系缺乏系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，形成研究空白。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)依托子午工程（中國(guó)空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)），解決了這一難題。他們整合了雙通道光學(xué)干涉儀與全天空氣輝成像儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

這套組合實(shí)現(xiàn)了對(duì)250公里高度熱層緯向中性風(fēng)與EPB漂移速度的同步反演。雙通道光學(xué)干涉儀通過探測(cè)氧原子紅線（630.0納米）的多普勒頻移計(jì)算風(fēng)速。全天空氣輝成像儀則追蹤EPB邊界的移動(dòng)軌跡。

研究團(tuán)隊(duì)積累了1.5年的連續(xù)觀測(cè)資料。這是中國(guó)首次在本土低緯地區(qū)獲得如此長(zhǎng)時(shí)間序列的高精度中性風(fēng)與EPB協(xié)同觀測(cè)數(shù)據(jù)。子午工程作為目前世界上規(guī)模最大的空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其觀測(cè)能力在此得到充分驗(yàn)證。

數(shù)據(jù)分析揭示了EPB運(yùn)動(dòng)的精細(xì)物理圖像。研究發(fā)現(xiàn)，超過50%的EPB樣本與緯向中性風(fēng)以相同速度運(yùn)動(dòng)。這表明在這些情況下，F(xiàn)區(qū)發(fā)電機(jī)效應(yīng)被完全激活，中性風(fēng)通過碰撞拖拽等離子體，成為漂移的主導(dǎo)因素。

但規(guī)律并非簡(jiǎn)單線性。觀測(cè)顯示，子夜前中性風(fēng)速度普遍大于EPB漂移速度。子夜后，情況發(fā)生反轉(zhuǎn)，EPB速度超過中性風(fēng)。這種差異源于額外的調(diào)制機(jī)制。

日落后的E區(qū)發(fā)電機(jī)過程會(huì)產(chǎn)生極化電場(chǎng)。EPB內(nèi)部也存在復(fù)雜的極化電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。這些電場(chǎng)與中性風(fēng)產(chǎn)生的電場(chǎng)相互作用，共同決定EPB的最終運(yùn)動(dòng)速度。此外，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系還受到季節(jié)變化和地磁活動(dòng)的顯著調(diào)制。

該發(fā)現(xiàn)修正了以往單純依賴中性風(fēng)預(yù)測(cè)EPB路徑的簡(jiǎn)單化模型。它證明在低緯地區(qū)，必須同時(shí)考慮中性動(dòng)力學(xué)與電磁過程的耦合效應(yīng)。

從科學(xué)史維度看，EPB研究經(jīng)歷了從雷達(dá)回波探測(cè)到光學(xué)成像觀測(cè)的技術(shù)演進(jìn)。早期研究集中在南美秘魯、東南亞等赤道地區(qū)。中國(guó)南部地處低緯，是連接赤道與中緯的關(guān)鍵過渡帶，其物理過程具有獨(dú)特性。

此次研究標(biāo)志著中國(guó)在該領(lǐng)域從"跟跑"轉(zhuǎn)向"并跑"。子午工程提供了其他國(guó)家難以復(fù)制的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)能力。結(jié)合即將建成的子午工程二期，中國(guó)將具備從太陽到地球空間的完整監(jiān)測(cè)鏈條。

這項(xiàng)基礎(chǔ)研究的實(shí)用價(jià)值顯著。它為開發(fā)中國(guó)低緯區(qū)域電離層預(yù)報(bào)模型提供了關(guān)鍵參數(shù)。未來，當(dāng)北斗導(dǎo)航信號(hào)穿過中國(guó)南部電離層時(shí)，我們可以更準(zhǔn)確地預(yù)判它是否會(huì)遭遇"氣泡"干擾。

精確的時(shí)空預(yù)報(bào)能力，最終將轉(zhuǎn)化為更可靠的衛(wèi)星通信和更精準(zhǔn)的定位服務(wù)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，科研人員利用子午工程數(shù)據(jù)揭示赤道等離子體泡與中性風(fēng)關(guān)聯(lián)，2025年。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)相關(guān)項(xiàng)目資助信息。