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科研|极地大气与空间物理团队在极区偶发E层形成机理研究取得新进展

发布日期:2022-04-25 14:27:50

科研|极地大气与空间物理团队在极区偶发E层形成机理研究取得新进展


        电离层偶发E层(Sporadic E layer,简称Es层)通常形成于离地面约90–130千米高度的空间等离子体区域。强烈的Es层,具有高电子密度,能对经过它的高频无线电波产生强烈的反射、散射或折射效应;伴随Es层所引起的电离层E区不规则体有时也会造成无线电信号闪烁、卫星信号失所及测距误差等。因此,研究Es层的形成与演化特征,一直是电离层研究的热点之一。这对于我们认识电离层及准确预测电离层环境变化都具有重要的应用价值。



        以往的研究表明,极区Es层的形成与演化不仅受制于剪切中性风的作用,还受到极区对流电场的调制作用。利用传统探测仪器如电离层数字测高仪,极区Es层在极盖区和极光卵区域的统计发生与极区对流电场变化具有较高的关联性;特别是位于极隙区纬度投影(地磁纬度约74–78度)的电离层区域Es层在午夜前具有高发生率(某些季节能达到80%)。学者们认为这与观测点由极光卵进入极盖区的相对位置变化有关;反转的对流电场会造成E层高度的等离子体产生汇聚和收敛效应。但针对该Es层演化过程的观测和物理变化过程研究仍相对较少。

        利用我国南极中山站(69.4°S, 76.4°E)空间环境地基综合监测系统“子午工程”电离层数字测高仪和高频雷达设备,极区空间物理与天文研究所(筹)极地大气与空间物理学研究团队近期在地球物理国际主流期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics发表了题为“Simultaneous observations of a sporadic E layer by Digisonde and SuperDARN HF radars at Zhongshan, Antarctica” 的研究论文。该项工作首次利用了同一台站的两部无线电雷达设备,通过垂测及斜测的探测方式,观测证实了极区Es层的形成与对流反转边界存在紧密联系(图1)。观测研究发现,强烈的Es层最初形成于电离层底部F层,并随着电场作用进入E层;而形成后的Es层还受到极光活动的影响。这也说明了受极区对流电场调制的等离子流动对于Es的形成相对重要性。



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图1  (上)中山站数字测高仪观测到的Es层在6.5–7.5 MHz的波动特性;(下)同时利用SuperDARN中山站高频雷达电离层回波观测到的等离子体视线速度扰动特性(Chen et al., 2022a)

        此外,研究团队利用中山站电离层数字测高仪探测回波反演所得等离子流动数据与覆盖中山站上空的SuperDARN日本昭和站高频雷达视线速度数据进行比较。对比研究发现表明,测高仪设备与高频雷达设备所得F层等离子体视线速度都能很好的表征局地的等离子体流动,但测高仪所得流动速度高于高频雷达视线速度(图2)。这意味着今后只利用测高仪观测数据或是同时结合SuperDARN高频雷达数据观测研究Es层形成过程中的电离层等离子体流动特性都具有时效性。该研究结果也于近期发表于Polar Science杂志。


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图2 利用2012年所得中山站数字测高仪等离子体漂移速度与SuperDARN日本昭和站雷达波束7视线速度比较(Chen et al., 2022b)



        两篇研究论文的第一作者均为总站|ld乐动体育app下载(中国极地研究所)陈相材博士,与中山站高频雷达设备负责人刘建军为共同通讯作者,其他合作者分别来自极地中心极地大气与空间物理学研究团队、南非国家航天局和日本国立极地研究所。研究工作得到了国家重点研发计划(2021YFE0106400、2018YFC1407300),国家自然科学基金(42130210、42120104003),上海市科技创新行动计划(21DZ1206100),以及子午工程中山站数据等的支持。



研究论文成果:

1. Chen, X.*, J. Liu*, M. J. Kosch, Z. Hu, Z. Wang, B. Zhang, H. Yang, and H. Hu (2022a), Simultaneous observations of a sporadic E layer by Digisonde and SuperDARN HF radars at Zhongshan, Antarctica, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127, e2021JA029921, https://doi.org/10.1029/2021JA029921.

2. Chen, X.*, J. Liu*, R. Liu, H. Hu, B. Zhang, and A. S. Yukimatu (2022b), Comparison of Digisonde derived ion drifts and SuperDARN line-of-sight velocities over Zhongshan Station, Antarctica, Polar Science, 29, 100789, https://doi.org/10.1016/j.polar.2022.100789.


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