赤道等離子體泡是一種出現(xiàn)在電離層F區(qū)（一般在200 km以上）等離子體密度耗空的不均勻體結(jié)構(gòu)，一般利用無(wú)線電雷達(dá)觀測(cè)到，如利用非相干散射雷達(dá)可觀測(cè)到電子密度剖面中的等離子體泡耗空結(jié)構(gòu)，利用相干散射雷達(dá)可觀測(cè)到等離子體泡不均勻體的后向散射回波。金屬離子主要存在于電離層E區(qū)高度（100 km附近），其密度剖面可利用激光雷達(dá)觀測(cè)到。由于金屬離子在電離層F區(qū)含量很低，因此以往的研究從未在金屬離子剖面中觀測(cè)到等離子體泡結(jié)構(gòu)，對(duì)于促進(jìn)等離子體泡產(chǎn)生的不穩(wěn)定性是否可在金屬離子剖面中發(fā)展也并不清楚。

    圖1 海南樂(lè)東MIOS VHF雷達(dá)與儋州激光雷達(dá)地理位置與觀測(cè)視場(chǎng)。其中藍(lán)色實(shí)線框定VHF雷達(dá)在(a)方位角和(b)仰角方向的波束，藍(lán)色虛線為波束中心，紅色實(shí)線為激光雷達(dá)垂直探測(cè)波束，(a)中黑色虛線為樂(lè)東視線方向在不同高度垂直于磁力線的位置，(b)中黑色虛線為磁力線。

    我國(guó)低緯海南地區(qū)是等離子體泡高發(fā)區(qū)域，近年來(lái)新建了樂(lè)東MIOS甚高頻（VHF）相干散射雷達(dá)（中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所）與儋州鈣離子激光雷達(dá)（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心）。樂(lè)東VHF雷達(dá)探測(cè)視場(chǎng)與儋州激光雷達(dá)垂直波束在200 km高度附近恰好覆蓋同一區(qū)域（圖1），因此可協(xié)同觀測(cè)得到該高度區(qū)附近的同一結(jié)構(gòu)?；诩す饫走_(dá)和VHF雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孫文杰高級(jí)工程師聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心焦菁副研究員，首次在金屬離子剖面中觀測(cè)到了電離層等離子體泡結(jié)構(gòu)。如圖2所示，2024年10月31日夜間，激光雷達(dá)捕獲到出現(xiàn)于電離層谷區(qū)至F區(qū)高度的鈣離子團(tuán)塊。有趣的是，在該鈣離子團(tuán)塊的密度剖面中，觀測(cè)到數(shù)個(gè)密度耗空結(jié)構(gòu)（如數(shù)字1、2、3、4所示），其中耗空結(jié)構(gòu)1和2主要出現(xiàn)于200 km以上的電離層F區(qū)，且結(jié)構(gòu)2展現(xiàn)出分叉形態(tài)，而耗空結(jié)構(gòu)3和4的起始高度低至150 km高度的電離層谷區(qū)。這些結(jié)構(gòu)與以往利用無(wú)線電雷達(dá)觀測(cè)到的等離子體泡結(jié)構(gòu)類似，其耗空特性和分叉形態(tài)是典型的等離子體泡特征。

    圖2 2024年10月31日儋州激光雷達(dá)觀測(cè)的鈣離子剖面，白色數(shù)字標(biāo)出了剖面中的密度耗空結(jié)構(gòu)，黑色虛線為不同高度的日落時(shí)間。

    圖3所示為同一時(shí)段MIOS VHF雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果。結(jié)果顯示，雷達(dá)在14:30-15:30 UT觀測(cè)到2團(tuán)等離子體泡不均勻體后向散射回波，回波出現(xiàn)時(shí)間與激光雷達(dá)鈣離子剖面中的耗空結(jié)構(gòu)1和2一致?；诶走_(dá)干涉成像，得到不均勻體的形態(tài)結(jié)構(gòu)（圖3b中的黑色散點(diǎn)），恰好與鈣離子團(tuán)塊中的耗空區(qū)域1和2吻合，其中雷達(dá)干涉成像得到的結(jié)構(gòu)2分叉形態(tài)也與激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果一致。VHF雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)激光雷達(dá)鈣離子剖面中的耗空/分叉結(jié)構(gòu)為等離子體泡。然而，對(duì)于低至電離層谷區(qū)高度的耗空結(jié)構(gòu)3和4，VHF雷達(dá)并未觀測(cè)到對(duì)應(yīng)的不均勻體回波。

    圖3 2024年10月31日(a)樂(lè)東VHF雷達(dá)回波與(b)基于雷達(dá)干涉成像得到的不均勻體結(jié)構(gòu)形態(tài)（黑色散點(diǎn)），灰色散點(diǎn)所示為離子密度大于4個(gè)/cm3的鈣離子團(tuán)塊區(qū)域。

    結(jié)合電離層測(cè)高儀的觀測(cè)（圖4a），發(fā)現(xiàn)等離子體泡1和2出現(xiàn)高度與測(cè)高儀反演的電子密度剖面F層高度一致，而等離子體泡3和4出現(xiàn)在F層底部以下的谷區(qū)。在谷區(qū)高度，電子密度很低，因此一般很難觀測(cè)到等離子體泡結(jié)構(gòu)，而出現(xiàn)在谷區(qū)至F區(qū)高度的金屬離子團(tuán)塊，則類似于“顯影劑”，使得谷區(qū)和F區(qū)的等離子體泡耗空結(jié)構(gòu)都得以“顯形”。需要注意的是，等離子體泡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于谷區(qū)并不意味著其起源于谷區(qū)高度。海南處于低緯地區(qū)，其谷區(qū)高度150 km沿磁力線對(duì)應(yīng)于磁赤道上空約500 km的F區(qū)高度，因此在海南上空觀測(cè)到的谷區(qū)高度等離子體泡實(shí)際為磁赤道上空F區(qū)高度的等離子體泡沿磁力線的映射結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步利用GNSS觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，所有等離子體泡結(jié)構(gòu)，包括低至谷區(qū)的等離子體泡3和4，均對(duì)應(yīng)于TEC（電子總含量）耗空（圖4b）和ROTI（TEC變化率指數(shù)，表征公里尺度不均勻體）增強(qiáng)（圖4c-d）。ROTI切片結(jié)果表明，等離子體泡3和4處于不均勻體發(fā)展末期，此時(shí)等離子體泡中的小尺度不均勻體可能已消散，因此VHF雷達(dá)無(wú)法觀測(cè)到對(duì)應(yīng)的米級(jí)尺度不均勻體回波。

    圖4 2024年10月31日(a-b)基于測(cè)高儀觀測(cè)反演得到的電子密度剖面與沿(c-d)109°E和19°N的ROTI切片。其中(a)和(b)中分別疊加了鈣離子團(tuán)塊的結(jié)構(gòu)與穿刺點(diǎn)恰好位于激光雷達(dá)視場(chǎng)上空的北斗同步衛(wèi)星TEC曲線。

該成果基于MIOS相干散射雷達(dá)和鈣離子激光雷達(dá)聯(lián)測(cè)，首次揭示了不同高度金屬離子團(tuán)中的等離子體泡結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明等離子體泡可在低緯電離層谷區(qū)出現(xiàn)，改變了以往對(duì)其高度分布的認(rèn)識(shí)，為赤道等離子體泡產(chǎn)生與演化研究提供了重要參考。

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