電離層-熱層系統(tǒng)的耦合主要由離子與中性粒子之間的碰撞所控制。在電離層-熱層系統(tǒng)中，高于200km的主要成分是氧離子和氧原子。氧離子與氧原子之間通過碰撞的方式，影響著地球高層大氣的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程。碰撞頻率由氧原子的密度以及相應(yīng)的碰撞截面決定。然而，目前尚無方法直接測(cè)量氧離子-氧原子的碰撞截面。一般是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)外推或理論計(jì)算來得到，目前應(yīng)用最多的是Banks在1966年提出的理論公式，該公式在表征碰撞頻率時(shí)有一個(gè)碰撞頻率系數(shù)（又稱Burnside Factor），一直存在較大的不確定性。
隨著技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的電離層探測(cè)開始出現(xiàn)，電離層測(cè)量為驗(yàn)證碰撞截面提供了方法，目前主要是能量平衡（EB）方法和動(dòng)量平衡（MB）方法。EB 方法主要通過少量觀測(cè)得到的中性原子氧密度與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拿芏冗M(jìn)行比較獲得碰撞頻率系數(shù)。MB 方法則利用雷達(dá)測(cè)量得出的夜間風(fēng)場(chǎng)與附近光學(xué)測(cè)量的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行比較，獲得碰撞頻率系數(shù)。眾多學(xué)者使用EB方法或者MB方法來計(jì)算碰撞頻率系數(shù)，通常在0.7 到1.9 之間。但受限于有限的觀測(cè)，缺乏對(duì)碰撞頻率系數(shù)隨地方時(shí)、季節(jié)等變化的詳細(xì)理解。
針對(duì)上述問題，本研究基于三亞非相干散射雷達(dá)觀測(cè)提出了一種新的方法來估算碰撞頻率系數(shù)。該方法假設(shè)電離層峰值高度以上中性風(fēng)場(chǎng)高度梯度可以忽略，通過對(duì)比擴(kuò)散速度零值高度（高于峰值高度）中性風(fēng)場(chǎng)（與碰撞頻率無關(guān)）與以上中性風(fēng)場(chǎng)（與碰撞頻率有關(guān)）計(jì)算得到碰撞頻率系數(shù)，如圖1所示。該研究進(jìn)一步分析了碰撞頻率系數(shù)隨地方時(shí)和季節(jié)的變化情況，如圖2所示?？傮w平均值為1.31，標(biāo)準(zhǔn)差為0.32。上圖顯示了碰撞頻率系數(shù)在日出前后先下降，隨后上升，在下午晚些時(shí)候至日出前保持相對(duì)穩(wěn)定,平均值范圍在1.07 至1.41 之間。下圖顯示了碰撞頻率系數(shù)總體呈現(xiàn)夏季大，冬季小的趨勢(shì)。
圖1. 2023 年12 月10 日，擴(kuò)散速度零值高度以上區(qū)域的擴(kuò)散速度隨時(shí)間和高度的變化情況（a）、緯向風(fēng)（b）以及擴(kuò)散速度零值高度以上50 km范圍內(nèi)的平均碰撞頻率系數(shù)（c）。
圖2. 2023 年11 月至2024 年10 月期間碰撞頻率系數(shù)隨地方時(shí)的變化情況（滑動(dòng)窗口：1 小時(shí)）（a）以及隨年積日的變化情況（滑動(dòng)窗口：30 天）（b）。圖3b中的空白區(qū)域表示沒有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)或者地磁活動(dòng)異常。
該研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊GRL（張寧，雷久侯，樂新安*，蔡毅徽，王俊逸，王永輝，丁鋒，朱亞軍，寧百齊. Determination of the Mysterious O+‐O Collision Frequency FactorFrom the Sanya Incoherent Scatter Radar Measurements [J]. Geophysical Research Letters, 2025. e2025GL115928. DOI:10.1029/2025GL115928）。研究受中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類（XDB0780000）、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定支持項(xiàng)目（YSBR-018）、國(guó)家自然科學(xué)基金（42425403）以及子午工程的共同資助。