【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】赤道等離子體泡(Equatorial Plasma Bubble, EPB)是一種重要的空間天氣現(xiàn)象，能引起衛(wèi)星導(dǎo)航定位誤差增大，甚至中斷衛(wèi)星通訊。為認(rèn)清赤道等離子體泡的逐日變化并對(duì)其開展短臨預(yù)測(cè)，需大范圍連續(xù)監(jiān)測(cè)其產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)演化過程，重點(diǎn)解決海洋上空難以連續(xù)觀測(cè)的難題。在“子午工程二期”等支持下，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所公共技術(shù)中心空間環(huán)境探測(cè)實(shí)驗(yàn)室研制了低緯超視距電離層雷達(dá)(Low lAtitude long Range Ionospheric raDar，LARID)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)海南島東西兩側(cè)各3000 km范圍赤道等離子體泡的超視距探測(cè)，為監(jiān)測(cè)海洋上空赤道等離子體泡提供了一種有力手段(參見《首臺(tái)低緯超視距電離層雷達(dá)研制與初步觀測(cè)結(jié)果》)。
 

　　LARID系統(tǒng)設(shè)計(jì)在理論上具備探測(cè)更大范圍赤道等離子體泡的可能。然而由于無線電波的傳播路徑復(fù)雜，特別是在地磁暴等極端空間天氣事件下，空間環(huán)境的劇烈擾動(dòng)可能對(duì)無線電波路徑產(chǎn)生顯著的影響。復(fù)雜條件下LARID是否可以在更遠(yuǎn)距離(超過3000 km)探測(cè)赤道等離子體泡仍有待驗(yàn)證。
 

　　圖1 位于海南東方臺(tái)站的LARID雷達(dá)極遠(yuǎn)距離探測(cè)視場(chǎng)圖。藍(lán)色和紅色實(shí)線代表LARID西向和東向探測(cè)波束，黑點(diǎn)和綠圈代表對(duì)比研究中采用的GNSS接收機(jī)和電離層測(cè)高儀臺(tái)站位置
 

　　為了充分挖掘LARID探測(cè)潛力，實(shí)現(xiàn)對(duì)印度洋至西太平洋上空等離子體泡的有效監(jiān)測(cè)，為全球等離子體泡超視距雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)，2023年11月，空間環(huán)境探測(cè)實(shí)驗(yàn)室胡連歡高級(jí)工程師、李國(guó)主研究員及合作者使用LARID設(shè)計(jì)了一種極遠(yuǎn)距離模式開展赤道等離子體泡探測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖1展示了實(shí)驗(yàn)期間LARID的觀測(cè)視場(chǎng)圖。實(shí)驗(yàn)中LARID東、西向波束的探測(cè)距離均為9600 km，東向最遠(yuǎn)可達(dá)太平洋中部，西向最遠(yuǎn)可達(dá)非洲中部，雷達(dá)視場(chǎng)覆蓋了約180°的經(jīng)度范圍。實(shí)驗(yàn)期間，11月4-6日發(fā)生了一次劇烈的地磁暴事件，影響了全球空間環(huán)境，我國(guó)漠河等地也觀測(cè)到了極光現(xiàn)象(央視新聞)。此次磁暴為驗(yàn)證LARID在空間天氣事件中的極遠(yuǎn)距離赤道等離子體泡探測(cè)能力提供了極佳的機(jī)會(huì)。
 

　　圖2 2023年11月5日地磁暴期間，LARID探測(cè)的赤道等離子體泡回波的多普勒速度圖，其中橢圓框所示的藍(lán)色和紅色區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)到赤道等離子體泡的區(qū)域
 

　　此次磁暴期間，LARID的東向波束和西向波束均探測(cè)到極遠(yuǎn)距離的赤道等離子體泡。圖2顯示東向波束探測(cè)到的赤道等離子體泡位于西太平洋上空，分別距離LARID臺(tái)站1000-2000 km、3000-4500 km和5000-7000 km。西向波束探測(cè)到的赤道等離子體泡位于西亞-非洲上空，距離LARID臺(tái)站6000-9000 km。結(jié)合空間環(huán)境探測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的IONISE觀測(cè)網(wǎng)和全球GNSS觀測(cè)網(wǎng)，以及不同經(jīng)度區(qū)域的電離層測(cè)高儀觀測(cè)(見圖1站點(diǎn)分布)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此次磁暴期間的大范圍赤道等離子體泡現(xiàn)象開展了機(jī)理分析。結(jié)果表明，在暴時(shí)電場(chǎng)等影響下，赤道電離層底部快速抬升，為赤道等離子體泡的產(chǎn)生提供了有利條件，分別在西太平洋和西亞-非洲上空產(chǎn)生赤道等離子體泡。
 

圖3 LARID極遠(yuǎn)距離探測(cè)等離子體泡示意圖
 

　　圖3展示了LARID極遠(yuǎn)距離探測(cè)大范圍赤道等離子體泡的示意圖。LARID雷達(dá)發(fā)射的無線電波經(jīng)過電離層-地面多次折射/反射實(shí)現(xiàn)超視距傳播，照射到赤道等離子體泡不均勻體時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)后向散射從而被LARID的天線陣接收到。研究結(jié)果表明，即使在地磁暴期間，我國(guó)海南的LARID雷達(dá)也可監(jiān)測(cè)西起東非、東至中太平洋約半個(gè)地球經(jīng)度扇區(qū)上空的赤道等離子體泡現(xiàn)象。這一結(jié)果對(duì)未來構(gòu)建低緯赤道超視距電離層雷達(dá)網(wǎng)有著重要意義：在全球低緯赤道不同經(jīng)度建設(shè)3-4臺(tái)類似LARID 的超視距雷達(dá)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)全球赤道等離子體泡的無縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
 

　　研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊GRL(胡連歡，李國(guó)主*，寧百齊，代國(guó)峰，孫文杰，趙秀寬，解海永，李怡，熊波，Yu Li, Michi Nishioka, Septi Perwitasari. Extremely long-range observations of ionospheric irregularities in a large longitude zone from Pacific to Africa using a low latitude over-the-horizon radar in China[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51(16): e2024GL109579. DOI: 10.1029/2024GL109579.)。成果受子午工程、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)等聯(lián)合資助。