等离子体双极扩散作为电离层动力学的关键环节，对调节电离层与等离子体层之间的耦合关系具有重要作用，并显著影响着电离层的结构形成与能量传输过程。长期以来，受限于技术手段，对这一关键物理过程的直接探测面临巨大困难，导致科学界在其认知方面存在明显不足。由于缺少实际的双极扩散观测数据，现有电离层理论模型往往在其顶部边界采用固定的常数值扩散通量进行近似处理，这种简化方式严重限制了模型在模拟与预测方面的准确性。

针对这一长期未解的难题，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室刘立波研究团队借助ICON卫星同步获取的离子漂移速度与中性风场数据，对等离子体双极扩散展开系统研究，进而揭示了约590公里高度上等离子体双极扩散随纬度、经度、地方时以及季节变化的基本规律。

磁赤道附近区域，双极扩散表现出显著的“傍晚增强”特征，其强度峰值通常出现在日落后（图1）。该研究进一步划分了不同物理机制主导双极扩散的区域范围：在磁赤道附近，太阳辐射的不均匀性引起南北半球之间的等离子体压力差异，从而驱动了跨赤道的扩散过程；而在低纬度地区，由太阳辐射电离作用主导的垂直扩散模式占主导地位，呈现出白天向上、夜间向下的规律性日变化（图2）。观测结果同时证实，电场驱动的电离层“喷泉效应”对双极扩散具有调制作用，不仅增强了冬季半球侧的跨赤道等离子体输运强度，还塑造了沿经度方向的结构。

图1 至日与分日期间（前后45天内平均）磁赤道附近的场向离子漂移、双极扩散速度和场向中性风场随当地时间与经度的变化

图2 （上至下依次为）场向漂移（Df）、双极扩散、场向风（Wf）、离子密度及E×B漂移（Dv）在六月（左）和十二月（右）至日期间，白天（13时±1.5小时）和夜间（1时±1.5小时）时段的纬度-经度分布图

该研究首次提供了顶部电离层双极扩散的全球图像。该成果对深入理解电离层动力学过程具有重要意义，有望为相关模型的顶部边界条件提供更可靠的关键物理约束，从而有效提升电离层模式的模拟精度与预测能力。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（杜镕金，刘立波*，张瑞龙，李文博，刘晶，刘博威，陈一定，马晗，乐会军. Topside ionospheric ambipolar diffusion derived from ICON observations [J]. Geophysical Research Letters, 2026,e2025GL119039. DOI: 10.1029/2025GL119039.）。研究受国家自然科学基金（42530201, 42404174）和中国科学院战略性先导科技专项B类（XDB0780000）的共同资助。

杜镕金（博士生）