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深夜，你正用手機導(dǎo)航穿越城市，屏幕上的定位圖標突然開始漂移。衛(wèi)星通信信號閃爍不定，GPS接收器陷入迷茫。這種看似神秘的干擾，往往源自赤道上方數(shù)百公里處發(fā)生的物理現(xiàn)象——赤道等離子體泡（EPB）。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心依托子午工程，歷時一年半的連續(xù)觀測，首次精確刻畫了中國南部上空這類"電離層空洞"與高層大氣風(fēng)的運動關(guān)聯(lián)，相關(guān)成果發(fā)表于《地球物理學(xué)研究雜志：空間物理學(xué)》。

赤道等離子體泡是低緯度電離層中一種劇烈的等離子體密度耗空現(xiàn)象。日落之后，電離層底部會因瑞利-泰勒不穩(wěn)定性產(chǎn)生上涌的氣泡狀結(jié)構(gòu)。這些氣泡內(nèi)部電子密度極低，像一面面不規(guī)則的鏡子反射和散射無線電信號。

當衛(wèi)星信號穿過EPB時，會發(fā)生快速波動和閃爍。嚴重時，通信鏈路直接中斷。赤道地區(qū)的衛(wèi)星通信、GPS導(dǎo)航和雷達系統(tǒng)長期受其困擾。理解并預(yù)測EPB的運動規(guī)律，是空間天氣預(yù)報的核心課題之一。

驅(qū)動EPB漂移的關(guān)鍵力量來自熱層中性風(fēng)。但熱層位于地表250公里以上，空氣極其稀薄，直接探測難度極大。長期以來，中國南部上空的EPB運動與中性風(fēng)關(guān)系缺乏系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，形成研究空白。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心團隊依托子午工程（中國空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)），解決了這一難題。他們整合了雙通道光學(xué)干涉儀與全天空氣輝成像儀的觀測數(shù)據(jù)。

這套組合實現(xiàn)了對250公里高度熱層緯向中性風(fēng)與EPB漂移速度的同步反演。雙通道光學(xué)干涉儀通過探測氧原子紅線（630.0納米）的多普勒頻移計算風(fēng)速。全天空氣輝成像儀則追蹤EPB邊界的移動軌跡。

研究團隊積累了1.5年的連續(xù)觀測資料。這是中國首次在本土低緯地區(qū)獲得如此長時間序列的高精度中性風(fēng)與EPB協(xié)同觀測數(shù)據(jù)。子午工程作為目前世界上規(guī)模最大的空間環(huán)境地基監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，其觀測能力在此得到充分驗證。

數(shù)據(jù)分析揭示了EPB運動的精細物理圖像。研究發(fā)現(xiàn)，超過50%的EPB樣本與緯向中性風(fēng)以相同速度運動。這表明在這些情況下，F(xiàn)區(qū)發(fā)電機效應(yīng)被完全激活，中性風(fēng)通過碰撞拖拽等離子體，成為漂移的主導(dǎo)因素。

但規(guī)律并非簡單線性。觀測顯示，子夜前中性風(fēng)速度普遍大于EPB漂移速度。子夜后，情況發(fā)生反轉(zhuǎn)，EPB速度超過中性風(fēng)。這種差異源于額外的調(diào)制機制。

日落后的E區(qū)發(fā)電機過程會產(chǎn)生極化電場。EPB內(nèi)部也存在復(fù)雜的極化電場結(jié)構(gòu)。這些電場與中性風(fēng)產(chǎn)生的電場相互作用，共同決定EPB的最終運動速度。此外，這種對應(yīng)關(guān)系還受到季節(jié)變化和地磁活動的顯著調(diào)制。

該發(fā)現(xiàn)修正了以往單純依賴中性風(fēng)預(yù)測EPB路徑的簡單化模型。它證明在低緯地區(qū)，必須同時考慮中性動力學(xué)與電磁過程的耦合效應(yīng)。

從科學(xué)史維度看，EPB研究經(jīng)歷了從雷達回波探測到光學(xué)成像觀測的技術(shù)演進。早期研究集中在南美秘魯、東南亞等赤道地區(qū)。中國南部地處低緯，是連接赤道與中緯的關(guān)鍵過渡帶，其物理過程具有獨特性。

此次研究標志著中國在該領(lǐng)域從"跟跑"轉(zhuǎn)向"并跑"。子午工程提供了其他國家難以復(fù)制的長期連續(xù)觀測能力。結(jié)合即將建成的子午工程二期，中國將具備從太陽到地球空間的完整監(jiān)測鏈條。

這項基礎(chǔ)研究的實用價值顯著。它為開發(fā)中國低緯區(qū)域電離層預(yù)報模型提供了關(guān)鍵參數(shù)。未來，當北斗導(dǎo)航信號穿過中國南部電離層時，我們可以更準確地預(yù)判它是否會遭遇"氣泡"干擾。

精確的時空預(yù)報能力，最終將轉(zhuǎn)化為更可靠的衛(wèi)星通信和更精準的定位服務(wù)。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，科研人員利用子午工程數(shù)據(jù)揭示赤道等離子體泡與中性風(fēng)關(guān)聯(lián)，2025年。

國家自然科學(xué)基金委員會相關(guān)項目資助信息。