地球電離層空間結(jié)構(gòu)梯度變化關(guān)乎電離層建模、空間天氣預(yù)報(bào)與高精度導(dǎo)航定位等重要應(yīng)用。全球電離層模型對(duì)梯度變化的表征誤差直接影響預(yù)報(bào)精度。統(tǒng)計(jì)顯示，東亞地區(qū)TEC梯度陡變時(shí)（>20 TECu/度），現(xiàn)有模型對(duì)GNSS定位的延遲修正誤差會(huì)擴(kuò)大3-5倍。單頻GNSS接收機(jī)受梯度影響最顯著。當(dāng)電離層前沿梯度超過(guò)1.5 TECu/km時(shí)，GPS定位誤差可驟增至15米以上。劇烈梯度變化可能引起信號(hào)閃爍，導(dǎo)致接收機(jī)周跳或失鎖，尤其影響高精度應(yīng)用，星基增強(qiáng)系統(tǒng)的網(wǎng)格電離層修正算法在強(qiáng)梯度區(qū)域會(huì)出現(xiàn)“梯度平滑失真”現(xiàn)象。對(duì)于短波通信梯度導(dǎo)致的最高可用頻率突變會(huì)使跳距突然改變300-500 km，對(duì)超視距雷達(dá)電子密度梯度引起的傳播路徑彎曲會(huì)造成目標(biāo)定位偏差。通常大的電離層經(jīng)度梯度多見(jiàn)于大的地磁暴期間地磁活躍期，那么地磁平靜期是否會(huì)出現(xiàn)大的電離層經(jīng)度梯度變化？如果出現(xiàn)，其產(chǎn)生機(jī)制是什么？
為此，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生金鈺妍（2023畢業(yè)）在導(dǎo)師趙必強(qiáng)研究員指導(dǎo)下關(guān)注到2021年5月11日地磁平靜期西太平洋地區(qū)的一次“異常強(qiáng)”的電離層經(jīng)度變化。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多平臺(tái)協(xié)同觀測(cè)，包括中國(guó)和日本地區(qū)的電離層測(cè)高儀、三亞非相干散射雷達(dá)的三維等離子體漂移測(cè)量數(shù)據(jù)、美國(guó)ICON衛(wèi)星的等離子體漂移和中性風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)、COSMIC-2衛(wèi)星的電子密度剖面數(shù)據(jù)、全球電離層GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)（GIM）的TEC數(shù)據(jù)，首次在寧?kù)o地磁條件（Kp指數(shù)小于2）下發(fā)現(xiàn)東亞地區(qū)電離層電子濃度的異常經(jīng)度梯度現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)為理解低層大氣擾動(dòng)與電離層耦合機(jī)制提供了突破性證據(jù)。
2021年5月11日的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在完全寧?kù)o的地磁環(huán)境中，東亞地區(qū)電離層電子濃度呈現(xiàn)出顯著的東西向不對(duì)稱(chēng)分布特征：位于114.4°E的武漢臺(tái)站觀測(cè)到電子濃度下降46%，而位于130.6°E的屋久島臺(tái)站卻觀測(cè)到電子濃度增加87%，這種"西減東增"的蹺蹺板式分布模式在以往研究中極為罕見(jiàn)。全球電離層電子總量地圖（GIM TEC）與COSMIC-2衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)，這種異常梯度結(jié)構(gòu)以125°E經(jīng)線(xiàn)為界呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱(chēng)分布特征，并且在磁赤道兩側(cè)表現(xiàn)出完美的鏡像對(duì)稱(chēng)性（圖1），這種空間分布特征暗示其形成機(jī)制可能與赤道電動(dòng)力學(xué)過(guò)程密切相關(guān)。
圖1 (a) 2021年Kp < 2且地方時(shí)13:00–17:00時(shí)段內(nèi)的東西差異指數(shù)Re/w變化，紅色圓點(diǎn)表示Re/w絕對(duì)值大于0.3的情況；(b, f) 2021年5月11日12:00 LT、(c, g) 14:00 LT和(d, h) 16:00 LT時(shí)刻，基于GIM和COSMIC-2數(shù)據(jù)在60°–180°E經(jīng)度與20°S–40°N緯度范圍內(nèi)的相對(duì)總電子含量（TEC）空間分布；(e)?四個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的相對(duì)GIM TEC隨地方時(shí)的變化曲線(xiàn)
通過(guò)美國(guó)ICON衛(wèi)星搭載的離子速度計(jì)（IVM）和邁克爾遜干涉儀（MIGHTI）的聯(lián)合觀測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)首次獲得了中性風(fēng)場(chǎng)與等離子體漂移耦合的直接證據(jù)。詳細(xì)分析表明，在90-150公里的E區(qū)高度范圍內(nèi)，風(fēng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的垂直等離子體漂移速度在東西兩側(cè)存在顯著差異：西側(cè)漂移速度僅為10-20米/秒，而東側(cè)則達(dá)到30-40米/秒。這種漂移速度的經(jīng)度梯度直接導(dǎo)致了赤道異常區(qū)等離子體的不對(duì)稱(chēng)分布。更為重要的是，在150-300公里的F區(qū)高度范圍內(nèi)，經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)在127°E兩側(cè)也表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱(chēng)特征：西側(cè)（75-120°E）為較弱的南風(fēng)（-20至-10米/秒），而東側(cè)（127-150°E）則出現(xiàn)強(qiáng)南風(fēng)（-98至-80米/秒）。這種風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用進(jìn)一步放大了東西兩側(cè)電子濃度的差異，形成了觀測(cè)到的顯著經(jīng)度梯度（圖2）。
圖2?地理坐標(biāo)系空間分布圖：底部平面顯示圖2b中14:00 LT時(shí)刻的相對(duì)總電子含量；120°E經(jīng)線(xiàn)穿越南北半球的磁力線(xiàn)用黑色實(shí)線(xiàn)標(biāo)示，其投影用黑色點(diǎn)劃線(xiàn)表示；紅色線(xiàn)條表示ICON衛(wèi)星離子速度計(jì)（IVM）觀測(cè)的Vpn分量；偽彩色圖像顯示ICON衛(wèi)星MIGHTI儀器觀測(cè)的150-300 km高度Un分量（中性風(fēng)）和90-150 km高度Upe分量（垂直風(fēng)）
國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的三亞非相干散射雷達(dá)（SYISR）的觀測(cè)數(shù)據(jù)為這一機(jī)制提供了關(guān)鍵驗(yàn)證。雷達(dá)觀測(cè)顯示，在異常事件發(fā)生期間，電離層垂直漂移速度出現(xiàn)明顯減弱，并且與武漢地區(qū)TEC下降存在約1小時(shí)的延遲響應(yīng)，這一時(shí)間序列特征完美印證了電動(dòng)力學(xué)耦合過(guò)程的因果鏈條。通過(guò)對(duì)比分析2021年全年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種在寧?kù)o條件下出現(xiàn)的顯著經(jīng)度梯度事件在全年僅發(fā)生一次，其罕見(jiàn)性表明這類(lèi)現(xiàn)象的形成可能需要特定的空間天氣條件和大氣擾動(dòng)背景場(chǎng)的共同配合。
綜上，該研究建立了從低層大氣擾動(dòng)到電離層等離子體環(huán)境變化的完整證據(jù)鏈，增強(qiáng)了寧?kù)o條件下電離層強(qiáng)經(jīng)度梯度形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)；揭示了E區(qū)風(fēng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)與F區(qū)風(fēng)場(chǎng)的協(xié)同作用機(jī)制，為理解電離層空間結(jié)構(gòu)變異提供了新的解釋?zhuān)辉趹?yīng)用方面，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)提高GNSS精密定位精度、改進(jìn)電離層空間天氣預(yù)警模型都具有重要的指導(dǎo)意義。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters（金鈺妍，趙必強(qiáng)*，周旭，郝紅連，李國(guó)主，樂(lè)新安，李子申. Direct evidence of the lower atmosphere perturbations producing abnormal ionospheric longitudinal gradients during quiescent geomagnetic conditions.?Geophysical Research Letters, 2025, 52: e2024GL113648. DOI:?10.1029/2024GL113648.）。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（42174206, 42204165）的聯(lián)合資助，感謝中國(guó)子午工程（Chinese Meridian Project）提供的科學(xué)數(shù)據(jù)支持。