【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其開展短臨預(yù)測，需大范圍連續(xù)監(jiān)測其產(chǎn)生與運動演化過程，重點解決海洋上空難以連續(xù)觀測的難題。在“子午工程二期”等支持下，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所公共技術(shù)中心空間環(huán)境探測實驗室研制了低緯超視距電離層雷達(Low lAtitude long Range Ionospheric raDar，LARID)，首次實現(xiàn)了對海南島東西兩側(cè)各3000 km范圍赤道等離子體泡的超視距探測，為監(jiān)測海洋上空赤道等離子體泡提供了一種有力手段(參見《首臺低緯超視距電離層雷達研制與初步觀測結(jié)果》)。
LARID系統(tǒng)設(shè)計在理論上具備探測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)境的劇烈擾動可能對無線電波路徑產(chǎn)生顯著的影響。復(fù)雜條件下LARID是否可以在更遠距離(超過3000 km)探測赤道等離子體泡仍有待驗證。
圖1 位于海南東方臺站的LARID雷達極遠距離探測視場圖。藍色和紅色實線代表LARID西向和東向探測波束，黑點和綠圈代表對比研究中采用的GNSS接收機和電離層測高儀臺站位置
為了充分挖掘LARID探測潛力，實現(xiàn)對印度洋至西太平洋上空等離子體泡的有效監(jiān)測，為全球等離子體泡超視距雷達監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計和建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)，2023年11月，空間環(huán)境探測實驗室胡連歡高級工程師、李國主研究員及合作者使用LARID設(shè)計了一種極遠距離模式開展赤道等離子體泡探測實驗。圖1展示了實驗期間LARID的觀測視場圖。實驗中LARID東、西向波束的探測距離均為9600 km，東向最遠可達太平洋中部，西向最遠可達非洲中部，雷達視場覆蓋了約180°的經(jīng)度范圍。實驗期間，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，我國漠河等地也觀測到了極光現(xiàn)象(央視新聞)。此次磁暴為驗證LARID在空間天氣事件中的極遠距離赤道等離子體泡探測能力提供了極佳的機會。
圖2 2023年11月5日地磁暴期間，LARID探測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色和紅色區(qū)域為探測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到極遠距離的赤道等離子體泡。圖2顯示東向波束探測到的赤道等離子體泡位于西太平洋上空，分別距離LARID臺站1000-2000 km、3000-4500 km和5000-7000 km。西向波束探測到的赤道等離子體泡位于西亞-非洲上空，距離LARID臺站6000-9000 km。結(jié)合空間環(huán)境探測實驗室建設(shè)的IONISE觀測網(wǎng)和全球GNSS觀測網(wǎng)，以及不同經(jīng)度區(qū)域的電離層測高儀觀測(見圖1站點分布)，研究團隊對此次磁暴期間的大范圍赤道等離子體泡現(xiàn)象開展了機理分析。結(jié)果表明，在暴時電場等影響下，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極遠距離探測等離子體泡示意圖
圖3展示了LARID極遠距離探測大范圍赤道等離子體泡的示意圖。LARID雷達發(fā)射的無線電波經(jīng)過電離層-地面多次折射/反射實現(xiàn)超視距傳播，照射到赤道等離子體泡不均勻體時產(chǎn)生強后向散射從而被LARID的天線陣接收到。研究結(jié)果表明，即使在地磁暴期間，我國海南的LARID雷達也可監(jiān)測西起東非、東至中太平洋約半個地球經(jīng)度扇區(qū)上空的赤道等離子體泡現(xiàn)象。這一結(jié)果對未來構(gòu)建低緯赤道超視距電離層雷達網(wǎng)有著重要意義：在全球低緯赤道不同經(jīng)度建設(shè)3-4臺類似LARID 的超視距雷達，有望實現(xiàn)對全球赤道等離子體泡的無縫實時監(jiān)測。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL(胡連歡，李國主*，寧百齊，代國峰，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、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團隊等聯(lián)合資助。
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