電離層的等離子體密度受到等離子體產(chǎn)生率、等離子體復(fù)合率和輸運過程的影響。一般來講，日出之后由于光電離的作用，等離子體產(chǎn)生率較高，等離子體密度會逐漸增大，并在正午附近達(dá)到最大值。但在某些特殊情況下也會觀測到白天的等離子體密度耗空，一是強(qiáng)地磁擾動引起的電離層負(fù)相暴，二是在弱地磁活動和磁靜日都有報道的等離子體密度咬食（bite-out）現(xiàn)象，其中前者一般持續(xù)時間較長（可持續(xù)數(shù)小時至數(shù)天）且覆蓋范圍較廣（可能為區(qū)域性或全球性事件），而后者則主要發(fā)生在正午附近，多為單站觀測，對于它的二維形態(tài)尚不清楚，驅(qū)動因素也尚無定論。

由中科院地質(zhì)與地球物理研究所空間環(huán)境探測實驗室建立的IONISE觀測網(wǎng)沿著固定經(jīng)緯度架設(shè)的特色觀測鏈在追蹤各類電離層變化和擾動方面具有極大優(yōu)勢，圖1（上）所示為孫文杰等利用IONISE觀測網(wǎng)沿著北緯21°和東經(jīng)110°的數(shù)據(jù)觀測到的發(fā)生于2018年7月10日的一次大尺度等離子體密度耗空事件，在該事例中，本該在日出后持續(xù)增大（如圖1下所示的月均值）的電子密度總含量（TEC）在世界時02時左右（北京地方時≈世界時+8小時）突然減小，該現(xiàn)象在不同經(jīng)度上幾乎同時發(fā)生，并且具有從低緯向更高的緯度傳播的趨勢。結(jié)合其它觀測網(wǎng)的TEC數(shù)據(jù)，孫文杰等將TEC數(shù)據(jù)投影到二維地圖（圖2a），發(fā)現(xiàn)在世界時02-04時中國中低緯地區(qū)出現(xiàn)大范圍的TEC耗空區(qū)域（15°-35°N/90°-130°E）。進(jìn)一步地將TEC的變化率（ROT）投影到二維地圖（圖2b），發(fā)現(xiàn)有一個大尺度的負(fù)ROT結(jié)構(gòu)，在低緯產(chǎn)生并逐漸向北傳播，而這個負(fù)ROT結(jié)構(gòu)，就是導(dǎo)致大尺度等離子體密度耗空的"罪魁禍?zhǔn)?。

圖1 沿北緯21°和東經(jīng)110°觀測到的北斗同步衛(wèi)星TEC與對應(yīng)ROT，（上）2018年7月10日數(shù)據(jù)，（下）2018年7月月均值

圖2 2018年7月10日(a) TEC地圖和(b) ROT地圖

在以往的研究中，這種大范圍的等離子體耗空一般發(fā)生在強(qiáng)烈的地磁暴導(dǎo)致的電離層負(fù)相暴期間。但在該事例發(fā)生當(dāng)日，地磁和太陽活動均相對平靜，赤道電場為東向，因此不可能是地磁擾動或西向電場導(dǎo)致的負(fù)暴效應(yīng)。利用測高儀的觀測結(jié)果（圖3）發(fā)現(xiàn)在大尺度等離子體密度耗空結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時，等離子體密度剖面被持續(xù)下壓，相比于月均值，F(xiàn)2層峰值密度先增大后減小，而TEC只體現(xiàn)為減小。在排除了其他驅(qū)動源之后，最有可能產(chǎn)生以上效果的驅(qū)動因素是極向的風(fēng)場。在極向風(fēng)作用下，等離子體會沿著磁力線被壓縮到更低的高度更薄的空間內(nèi)，因此等離子體總量雖然不變但等離子體密度會先增大；而在更低的高度上，等離子體復(fù)合率更高，導(dǎo)致接下來等離子體密度和總量持續(xù)減小，進(jìn)而發(fā)生等離子體密度耗空現(xiàn)象。

圖3 從上往下依次為在三亞、邵陽和武漢觀測到的等離子體密度剖面月均值、事件當(dāng)日等離子體密度剖面、F2層峰值密度和北斗同步衛(wèi)星TEC，其中白色點線為F2層峰高，灰色虛線為對應(yīng)的月均值

孫文杰等進(jìn)一步利用IONISE兩年的觀測數(shù)據(jù)，對這種極向擴(kuò)展的大尺度等離子體密度耗空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計研究（圖4），發(fā)現(xiàn)該類結(jié)構(gòu)主要發(fā)生在夏季低緯地區(qū)，且對應(yīng)的地磁活動均較為平靜（Kp指數(shù)一般小于3）。結(jié)合以往的文獻(xiàn)中對鄰近區(qū)域熱層風(fēng)場氣候?qū)W的研究，發(fā)現(xiàn)在夏季的上午風(fēng)場一般體現(xiàn)為北向（極向），而當(dāng)該極向風(fēng)場足夠大時，則足以驅(qū)動產(chǎn)生這種極向擴(kuò)展的大尺度的等離子體密度耗空結(jié)構(gòu)。該項研究表明，磁靜日的電離層也存在大尺度的結(jié)構(gòu)變化，而中性風(fēng)場在這種大尺度電離層結(jié)構(gòu)變化中具有舉足輕重的作用。

圖4 極向擴(kuò)展的大尺度等離子體密度耗空結(jié)構(gòu)的(a)發(fā)生日期與不同緯度的耗空強(qiáng)度統(tǒng)計結(jié)果與(b)事件對應(yīng)時間前后12個小時之內(nèi)的最大Kp指數(shù)

研究成果發(fā)表于空間物理學(xué)國際學(xué)術(shù)期刊JGR: Space Physics（孫文杰，李國主*，樂會軍，陳一定，胡連歡，楊思朋，趙秀寬，解海永，李怡，寧百齊，趙必強(qiáng)，劉立波. Daytime ionospheric large-scale plasma density depletion structures detected at low latitudes under relatively quiet geomagnetic conditions [J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022,127(2): e2021JA030033. DOI: 10.1029/2021JA030033）。該成果受國家自然科學(xué)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。