散布在太阳系中的流星体闯入地球大气，会产生绚烂的流星现象。多数流星体在进入地球大气时会发生破碎，其形态受尺寸、速度和结构等因素决定。破碎分为宏观（大尺度、爆发式）与微观（连续）碎裂两类。以往研究多聚焦于火球闪耀及其引发的尾迹效应，而对流星体持续碎裂及其引起的等离子体尾迹过程不甚清晰。研究不同母体来源流星体的成分、结构和强度及其形成等离子体尾迹的过程，有助于揭示其母体天体及早期太阳系形成，以及其物质注入地球大气影响空间环境过程。

围绕进入地球空间的流星体来源，以及其蒸发、电离背景大气、产生等离子体尾迹等全过程探测，中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室在海南研制建设了流星不均匀体多波段探测系统(MIOS)，其包含光学和无线电雷达子系统，可同时监测流星光学轨迹、光谱和等离子体尾迹回波。2022年12月24日18时30分，该系统监测到一颗慢速流星（事件编号M20221224_183010），以约13.2 km/s的初始速度自西向东飞行（图1a），高度由81.0 km降至41.1 km，持续发光时间超过15秒。在此过程中，该流星经历了十余次非爆炸性碎裂（图2），未出现典型闪耀，同时速度随碎裂次数增加而明显下降（图1b）。轨道计算结果显示，该流星体可能来源于阿波罗型小行星。

图1 （a）MIOS系统监测的流星事件M20221224_183010轨迹在地面的投影图，红线代表流星轨迹；（b）M20221224_183010流星速度随时间的减速曲线。速度和加速度分别用红色和蓝色标记

图2 流星M20221224_183010碎裂阶段的光学观测图像。图像来自MIOS系统不同摄像机的观测： 18:30，14.04s和14.40s(乐东9号相机)；17.13s和18.29s(三亚4号相机)；17.39s和18.53s(乐东1号相机)；以及19.40s、19.76s、20.00s、20.24s、20.56s和20.68s(乐东5号相机)

MIOS系统的光谱观测，揭示了该流星体丰富的元素特征，包括低温谱线（约4500 K，如Cr I、Mg I、Fe I、Na I）和高温谱线（约10000 K，如Ca II），同时检测到大气O I、N I吸收线及N₂、O₂分子带（图3a、图3b）。在Na I线附近的556–577 nm波段上，观测到与FeO发射一致的宽带特征，表明可能存在Fe被臭氧氧化后产生的化学发光。流星体在进入大气层后，其原子发射谱通常由两种机制产生：一是烧蚀过程中中性原子的热激发，二是高空金属氧化物的化学发光（M+O₃→MO+O₂, MO+O→M+O₂，M代表Na、Fe、Mg或Ca等金属原子）。然而，该事例中观测的光谱高度为74–52 km，显著低于氧原子丰富的高层区域（80-105 km），化学发光过程受限。尽管该流星体的入射速度较低，流星表面温度仍可升至约2000 K，足以使Na、Mg、Fe等元素汽化并通过热碰撞被激发或部分电离，从而产生特征原子发射线。该事件中观测到的Na I、Mg I 与 Fe I谱线可能主要源自烧蚀蒸汽的碰撞激发过程。此外，该流星光谱表现出强烈的Na I线，而Mg I线较弱，且未呈现典型的差异烧蚀规律（图3c、图3d）。这可能与其较低的入射速度有关。钠的激发能仅约2.1 eV，易被激发；而镁Mg I 518.4 nm线需约5.1 eV激发能，在低速流星中较难形成强发射。

图3 (a、b)MIOS系统的乐东4号和8号光谱相机记录的流星体事件M20221224_183010的合成光谱。4号光谱相机中，±1级光谱位于零级（未色散）图像两侧，+1级在右侧。8号光谱相机中，仅检测到零级图像和右侧+1级光谱。流星的飞行方向从左上至右下；(c)沿流星轨迹积分的校正光谱强度；(d)4号光谱相机记录的Na I-1、Fe I-15和Mg I-2的单色光曲线

在流星体持续碎裂的过程中，MIOS系统的雷达观测显示在64 km与60 km高度存在两个短暂而强烈的非场向等离子体不均匀体回波（图4），远低于流星不均匀体通常出现的95-110 km范围。这两团不均匀体回波与流星体碎裂时间和空间位置高度吻合。研究推测，流星体的持续碎裂为低层大气中形成此类非场向等离子体结构提供了条件。碎裂过程中不断释放的细小尘埃颗粒能快速带电，形成尘埃等离子体，促进布拉格尺度电子密度结构的形成，导致显著的雷达后向散射。考虑到60 km高度处的背景电离层电子密度非常低，尘埃带电所需的自由电子可能主要由流星体烧蚀过程提供。对于慢速流星，具有最低电离势的元素（尤其是Na）可能对自由电子总量作出了显著贡献。

这类在低高度持续碎裂并产生非场向等离子体不均匀结构的流星事件，揭示了流星体持续破碎在塑造地球中间层等离子体结构中的重要作用，表明伴随流星体碎裂直接产生的尘埃颗粒及其带电过程可能是近地空间尘埃等离子体结构形成的一种重要方式。

图4 (a)MIOS雷达记录的后向散射回波的距离-时间-强度图。曲线代表视线距离95 km处的回波强度随时间的变化；(b)流星不均匀体回波和流星光学轨迹的位置(方位角和仰角)。叠加的背景色显示了MIOS雷达辐射方向图，白色虚线表示在30-90 km高度范围雷达视线垂直于磁场的方向，黑色曲线为流星的光学轨迹，红点标示雷达观测到的两团流星回波位置，黑色圆圈代表17.13s和17.39-18.29s流星体碎裂的相应位置

研究成果发表于国际学术期刊JGR-Planets（李怡，李国主^*，武志，胡连欢，赵秀宽，孙文杰，解海永，代国峰，刘建飞，宁百齐. Observation of a Long-Lived Optical Meteor Producing Low Mesosphere Irregularity Echo: Trajectory, Fragmentation, and Spectroscopy[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 130(11): e2025JE009448. DOI: 10.1029/2025JE009448）。研究受国家自然科学基金项目（42020104002，41727803）等资助。