赤道等離子體泡（EPB）是一種起源于磁赤道上空并沿磁力線映射至低緯地區(qū)的大尺度等離子體密度耗空結(jié)構(gòu)。EPB發(fā)生時，通常會伴隨產(chǎn)生一種等離子體密度增強的斑塊結(jié)構(gòu)，一般出現(xiàn)于EPB耗空結(jié)構(gòu)南北兩側(cè)（即極側(cè)）的低緯地區(qū)。由于一般情況下EPB很難延展至中緯地區(qū)，因此該斑塊結(jié)構(gòu)極少在中緯觀測到。
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2024年5月10-12日爆發(fā)了近20年來最強烈的地磁暴，磁暴恢復相期間激發(fā)了延展至磁緯40°的超級EPB，在東亞-澳大利亞扇區(qū)觀測到。伴隨該超級EPB的出現(xiàn)，同時也觀測到大尺度的等離子體密度增強結(jié)構(gòu)，如圖1所示，兩者相伴向西漂移數(shù)千公里，速度約為126 m/s。類似于以往研究中伴隨EPB產(chǎn)生的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)，該等離子體密度增強結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子總含量超出周邊背景值達50 TECu，且在衛(wèi)星載荷穿過該結(jié)構(gòu)時原位探測的電子密度剖面觀測到大范圍的電子密度隆起，同時嵌入著EPB不均勻體引起的劇烈密度起伏（圖2）。不同于以往的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)于EPB結(jié)構(gòu)極側(cè)的低緯狹窄緯度區(qū)，該事件中的等離子體密度增強結(jié)構(gòu)由低緯一直延展至中緯，并在某些時刻（如20:00 UT，圖1）體現(xiàn)為獨特的“殼”狀形態(tài)包裹著EPB結(jié)構(gòu)，即同時出現(xiàn)在EPB結(jié)構(gòu)的極側(cè)和西側(cè)。因此，該大尺度等離子體密度增強結(jié)構(gòu)可能為伴隨超級EPB而產(chǎn)生的超級等離子體斑塊結(jié)構(gòu)。
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圖1 2024年10月11日20:00 UT（左）ROTI地圖表征的超級EPB與（右）TEC地圖表征的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)?！?span style="font-family:'Times New Roman'">A”所示為延展至磁緯40°的超級EPB結(jié)構(gòu)，“X”所示為EPB極側(cè)的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)，“Y”所示為EPB西側(cè)的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)，黑色虛線所示為地磁緯度，紅色虛線所示為日出線
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圖2 Swarm和DMSP衛(wèi)星載荷穿過EPB和等離子體斑塊結(jié)構(gòu)時原位探測的電子密度（黑）和溫度（紅）剖面
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分析認為：（1）暴時電場和風場的共同作用導致的背景電子密度增強，為該等離子體斑塊結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提供了必要的粒子來源，而EPB的產(chǎn)生及演化調(diào)制了等離子體斑塊結(jié)構(gòu)的形態(tài)；（2）EPB極側(cè)的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)可能伴隨超級EPB結(jié)構(gòu)的極向擴展而產(chǎn)生，即EPB在磁赤道上空產(chǎn)生后等離子體隨EPB的向上生長而被“頂”到更高高度，繼而由于EPB沿著磁力線向更高緯度映射，等離子體被場向輸運至EPB結(jié)構(gòu)的南北兩側(cè)而積壓形成斑塊結(jié)構(gòu)，如圖3a-b所示；（3）EPB西側(cè)的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)可能由EPB結(jié)構(gòu)內(nèi)部的極化電場驅(qū)動產(chǎn)生，即西向傾斜的EPB結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生向上的極化電場分量，該分量隨EPB結(jié)構(gòu)映射至中低緯地區(qū)后通過E×B為EPB內(nèi)部的等離子體施加額外的西向驅(qū)動力，使得EPB內(nèi)部等離子體西向漂移速度大于外部，導致等離子體堆積于EPB結(jié)構(gòu)西側(cè)而形成斑塊結(jié)構(gòu)，如圖3c-d所示。不同區(qū)域的電子總含量變化率（ROT）數(shù)據(jù)記錄下了等離子體堆積于EPB西側(cè)的詳細過程，如圖3e-h所示，為EPB驅(qū)動等離子體斑塊結(jié)構(gòu)的物理機制提供了觀測證據(jù)。
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圖3 (a-d) EPB的產(chǎn)生及演化調(diào)制等離子體斑塊結(jié)構(gòu)的物理機制示意圖；（e-h）不同時刻的電子總含量變化率（ROT）地圖，藍色（負ROT）并伴有紅色（正ROT）起伏的區(qū)域為以等離子體耗空為主并伴有不均勻體的EPB結(jié)構(gòu)，紅色區(qū)域表示電子總含量增大，給出了等離子體在EPB西側(cè)堆積的觀測證據(jù)
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該成果首次觀測到受超級EPB調(diào)制而發(fā)生于中緯地區(qū)的等離子體斑塊結(jié)構(gòu)并提出了相關物理機制，發(fā)現(xiàn)該斑塊結(jié)構(gòu)不僅可出現(xiàn)于EPB極側(cè)，還可出現(xiàn)于EPB西側(cè)，構(gòu)成包裹著等離子體“泡”的“殼”狀形態(tài)，結(jié)果表明EPB的產(chǎn)生可導致等離子體耗空結(jié)構(gòu)和增強結(jié)構(gòu)同時出現(xiàn)于中緯和低緯地區(qū)，揭示了暴時電離層的異常結(jié)構(gòu)變化，并為更深入地理解雷達觀測等離子體密度結(jié)構(gòu)的時空變化提供了啟示。
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相關研究成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊GRL（孫文杰，李國主*，趙必強，張順榮，Yuichi Otsuka，胡連歡，代國峰，趙秀寬，解海永，李怡，劉建飛，李瑜，寧百齊，劉立波，Atsuki Shinbori，Michi Nishioka，Septi Perwitasari. Midlatitude plasma blob-like structures along with super equatorial plasma bubbles during the May 2024 great geomagnetic storm [J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51 (21): e2024GL111638. DOI:10.1029/2024GL111638.）。成果受國家自然科學基金項目(42020104002)、中國科學院基礎研究領域青年團隊穩(wěn)定支持項目(YSBR-018)、中國科學院國際合作項目(批準號:183311KYSB20200003)、中科院日地網(wǎng)和子午工程等聯(lián)合資助。