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孙文杰等-JSWSC:汤加火山爆发引发的东亚/东南亚地区反季节超级等离子体泡
2022-07-22 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  赤道等离子体泡是一种主要在磁赤道和低纬地区观测到的大尺度电离层F层不均匀体,一般认为,磁赤道上空电离层F层的底部扰动作为种子因素受到瑞利-泰勒不稳定性调制会产生赤道等离子体泡,之后逐渐上升到更高的高度并沿着磁力线映射到低纬地区。赤道等离子体泡一般在日落后产生,在东亚/东南亚扇区高发于太阳活动高年的春秋季,可观测范围一般局限在磁纬±20°之间。然而,在一些特殊情况下,当条件满足时,也可观测到可延展到中纬的反季节超级赤道等离子体泡。 

  2022115日,中国科学院地质与地球物理研究所孙文杰高级工程师等利用IONISE观测网数据发现,在东亚/东南亚扇区中纬和低纬观测到了大范围的L波段强幅度闪烁(S4指数达到0.8)与GNSS信号衰减(衰减幅度达到16dB)(如图1所示),表明赤道等离子体泡的产生。利用更为密集的TEC观测,他们进一步将计算得到的ROTI指数(较大的ROTI指数可表示赤道等离子体泡的发生)映射到二维地图(图2),发现随着日落线的划过,在中国区域依次观测到3个等离子体泡产生。这些赤道等离子体泡在产生后慢慢向西漂移并逐渐向更高纬度延展,最北端扩展到35°N附近的中纬地区。值得注意的是世界时13:15ROTI地图上沿着东北-西南向延展到48°NROTI结构没有对应强幅度闪烁,因此不能判断是否为等离子体泡结构。该事件发生在太阳活动低年的冬季,且影响范围到达中纬地区,因此是一次反季节超级赤道等离子体泡事件。 

1 2022115日世界时10:30-18:00时段内S4指数(左)和GNSS信号衰减(右)

2 2022115日世界时10:15-14:30ROTI地图

  值得注意的是,这次赤道等离子体泡事件发生在一次较弱的地磁暴恢复相后期(图3),等离子体泡发生时对应的行星际参量较为平静,但赤道电场却由西向突然转为东向,不同纬度的测高仪也均观测到了电离层峰高不同程度的抬升,为瑞利-泰勒不稳定性的增大和赤道等离子体泡的产生创造了有利条件。一般来讲,磁暴恢复相期间的电场大多受西向扰动发电机电场主导,而西向电场会抑制电离层抬升,因此在这次超级等离子体泡事件中,暴时电场可能并非电离层抬升的主导因素。 

3 2022114-15(a)行星际地磁场Bz分量与行星际电场Ey分量、(b)Dst指数、(c)赤道电场以及(d-e)北京、武汉和乐东测高仪电离层峰高变化

  2022115日的另一个重大地质和空间天气事件是汤加火山的爆发,是近30年以来最剧烈的火山爆发活动之一。该次火山爆发开始于世界时约04:15,向上空释放的巨大能量在大气层和电离层高度激发了剧烈的扰动波并在全球范围内传播。在汤加火山爆发后的13个小时后,在平流层高度仍有扰动波不断产生(图4a);电离层高度的扰动波到达亚洲扇区的时间恰好赶上日落(图4b-4c);当磁赤道附近的不同经度上观测到扰动波后,紧接着观测到了较大的ROTI(图4d-4e);海南乐东站的测高仪在不同的等离子体频率上观测到底部电离层的波动,并伴随着底部电离层的抬升(图4f)。观测结果表明,汤加火山引起的扰动波到达东亚/东南亚扇区的时间与等离子体泡产生时间吻合,该扰动波可作为触发赤道等离子体泡产生的种子因素;另一方面,强烈的扰动波结构内部的东向极化电场可进一步抬升电离层,为瑞利-泰勒不稳定性增大创造了有利条件,进而导致反季节超级赤道等离子体泡的产生。 

  该研究表明,地球的不同圈层之间存在着千丝万缕的紧密联系,通过不同圈层之间的耦合,剧烈的地质活动甚至可对远在万里之外的地区上空的空间天气、卫星通讯和导航等造成巨大影响。 

4 汤加火山爆发后 (a) AIRS 4.3μm辐射观测到的平流层重力波, (b-c) 汤加火山到亚洲扇区路径上的多个GNSS台站观测到的TEC扰动,(d-e) 利用0-15°N范围内所有GNSS数据观测到的TEC扰动与ROTI,红色虚线为不同经度上的日落时间,(f) 乐东PDI测高仪不同等离子体频率虚高变化,黑色星线为选取5 MHz信号采用1小时滤波后的结果

  研究成果发表于空间物理学国际学术期刊Journal of Space Weather and Space Climate。(孙文杰Ajith K K李国主*,李瑜,赵秀宽胡连欢,杨思朋,解海永,李怡,宁百齐刘立波. Unseasonal super ionospheric plasma bubble and scintillations seeded by the 2022 Tonga Volcano Eruption related perturbations [J]. Journal of Space Weather and Space Climate, 2022,12(25). DOI: 10.1051/swsc/2022024)。该成果受国家自然科学基金(No. 42020104002417278034207419041904141)、中科院国际合作项目、中科院日地网和子午工程等联合资助。 

 
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