赤道等離子體泡是一種主要在磁赤道和低緯地區(qū)觀測到的大尺度電離層F層不均勻體，一般認為，磁赤道上空電離層F層的底部擾動作為種子因素受到瑞利-泰勒不穩(wěn)定性調(diào)制會產(chǎn)生赤道等離子體泡，之后逐漸上升到更高的高度并沿著磁力線映射到低緯地區(qū)。赤道等離子體泡一般在日落后產(chǎn)生，在東亞/東南亞扇區(qū)高發(fā)于太陽活動高年的春秋季，可觀測范圍一般局限在磁緯±20°之間。然而，在一些特殊情況下，當條件滿足時，也可觀測到可延展到中緯的反季節(jié)超級赤道等離子體泡。
2022年1月15日，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所孫文杰高級工程師等利用IONISE觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在東亞/東南亞扇區(qū)中緯和低緯觀測到了大范圍的L波段強幅度閃爍（S4指數(shù)達到0.8）與GNSS信號衰減（衰減幅度達到16dB）（如圖1所示），表明赤道等離子體泡的產(chǎn)生。利用更為密集的TEC觀測，他們進一步將計算得到的ROTI指數(shù)（較大的ROTI指數(shù)可表示赤道等離子體泡的發(fā)生）映射到二維地圖（圖2），發(fā)現(xiàn)隨著日落線的劃過，在中國區(qū)域依次觀測到3個等離子體泡產(chǎn)生。這些赤道等離子體泡在產(chǎn)生后慢慢向西漂移并逐漸向更高緯度延展，最北端擴展到35°N附近的中緯地區(qū)。值得注意的是世界時13:15的ROTI地圖上沿著東北-西南向延展到48°N的ROTI結(jié)構(gòu)沒有對應強幅度閃爍，因此不能判斷是否為等離子體泡結(jié)構(gòu)。該事件發(fā)生在太陽活動低年的冬季，且影響范圍到達中緯地區(qū)，因此是一次反季節(jié)超級赤道等離子體泡事件。
圖1 2022年1月15日世界時10:30-18:00時段內(nèi)S4指數(shù)（左）和GNSS信號衰減（右）
圖2 2022年1月15日世界時10:15-14:30的ROTI地圖
值得注意的是，這次赤道等離子體泡事件發(fā)生在一次較弱的地磁暴恢復相后期（圖3），等離子體泡發(fā)生時對應的行星際參量較為平靜，但赤道電場卻由西向突然轉(zhuǎn)為東向，不同緯度的測高儀也均觀測到了電離層峰高不同程度的抬升，為瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的增大和赤道等離子體泡的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。一般來講，磁暴恢復相期間的電場大多受西向擾動發(fā)電機電場主導，而西向電場會抑制電離層抬升，因此在這次超級等離子體泡事件中，暴時電場可能并非電離層抬升的主導因素。
圖3 2022年1月14-15日(a)行星際地磁場Bz分量與行星際電場Ey分量、(b)Dst指數(shù)、(c)赤道電場以及(d-e)北京、武漢和樂東測高儀電離層峰高變化
2022年1月15日的另一個重大地質(zhì)和空間天氣事件是湯加火山的爆發(fā)，是近30年以來最劇烈的火山爆發(fā)活動之一。該次火山爆發(fā)開始于世界時約04:15，向上空釋放的巨大能量在大氣層和電離層高度激發(fā)了劇烈的擾動波并在全球范圍內(nèi)傳播。在湯加火山爆發(fā)后的13個小時后，在平流層高度仍有擾動波不斷產(chǎn)生（圖4a）；電離層高度的擾動波到達亞洲扇區(qū)的時間恰好趕上日落（圖4b-圖4c）；當磁赤道附近的不同經(jīng)度上觀測到擾動波后，緊接著觀測到了較大的ROTI（圖4d-圖4e）；海南樂東站的測高儀在不同的等離子體頻率上觀測到底部電離層的波動，并伴隨著底部電離層的抬升（圖4f）。觀測結(jié)果表明，湯加火山引起的擾動波到達東亞/東南亞扇區(qū)的時間與等離子體泡產(chǎn)生時間吻合，該擾動波可作為觸發(fā)赤道等離子體泡產(chǎn)生的種子因素；另一方面，強烈的擾動波結(jié)構(gòu)內(nèi)部的東向極化電場可進一步抬升電離層，為瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增大創(chuàng)造了有利條件，進而導致反季節(jié)超級赤道等離子體泡的產(chǎn)生。
該研究表明，地球的不同圈層之間存在著千絲萬縷的緊密聯(lián)系，通過不同圈層之間的耦合，劇烈的地質(zhì)活動甚至可對遠在萬里之外的地區(qū)上空的空間天氣、衛(wèi)星通訊和導航等造成巨大影響。
圖4 湯加火山爆發(fā)后 (a) 由AIRS 4.3μm輻射觀測到的平流層重力波, (b-c) 湯加火山到亞洲扇區(qū)路徑上的多個GNSS臺站觀測到的TEC擾動，(d-e) 利用0-15°N范圍內(nèi)所有GNSS數(shù)據(jù)觀測到的TEC擾動與ROTI，紅色虛線為不同經(jīng)度上的日落時間，(f) 樂東PDI測高儀不同等離子體頻率虛高變化，黑色星線為選取5 MHz信號采用1小時濾波后的結(jié)果
研究成果發(fā)表于空間物理學國際學術(shù)期刊Journal of Space Weather and Space Climate。（孫文杰，Ajith K K，李國主*，李瑜，趙秀寬，胡連歡，楊思朋，解海永，李怡，寧百齊，劉立波. Unseasonal super ionospheric plasma bubble and scintillations seeded by the 2022 Tonga Volcano Eruption related perturbations [J]. Journal of Space Weather and Space Climate, 2022,12(25). DOI: 10.1051/swsc/2022024）。該成果受國家自然科學基金（No. 42020104002，41727803，42074190，41904141）、中科院國際合作項目、中科院日地網(wǎng)和子午工程等聯(lián)合資助。