等離子體雙極擴(kuò)散作為電離層動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)調(diào)節(jié)電離層與等離子體層之間的耦合關(guān)系具有重要作用，并顯著影響著電離層的結(jié)構(gòu)形成與能量傳輸過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，受限于技術(shù)手段，對(duì)這一關(guān)鍵物理過(guò)程的直接探測(cè)面臨巨大困難，導(dǎo)致科學(xué)界在其認(rèn)知方面存在明顯不足。由于缺少實(shí)際的雙極擴(kuò)散觀測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有電離層理論模型往往在其頂部邊界采用固定的常數(shù)值擴(kuò)散通量進(jìn)行近似處理，這種簡(jiǎn)化方式嚴(yán)重限制了模型在模擬與預(yù)測(cè)方面的準(zhǔn)確性。
針對(duì)這一長(zhǎng)期未解的難題，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)室劉立波研究團(tuán)隊(duì)借助ICON衛(wèi)星同步獲取的離子漂移速度與中性風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)等離子體雙極擴(kuò)散展開系統(tǒng)研究，進(jìn)而揭示了約590公里高度上等離子體雙極擴(kuò)散隨緯度、經(jīng)度、地方時(shí)以及季節(jié)變化的基本規(guī)律。
磁赤道附近區(qū)域，雙極擴(kuò)散表現(xiàn)出顯著的“傍晚增強(qiáng)”特征，其強(qiáng)度峰值通常出現(xiàn)在日落后（圖1）。該研究進(jìn)一步劃分了不同物理機(jī)制主導(dǎo)雙極擴(kuò)散的區(qū)域范圍：在磁赤道附近，太陽(yáng)輻射的不均勻性引起南北半球之間的等離子體壓力差異，從而驅(qū)動(dòng)了跨赤道的擴(kuò)散過(guò)程；而在低緯度地區(qū)，由太陽(yáng)輻射電離作用主導(dǎo)的垂直擴(kuò)散模式占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)出白天向上、夜間向下的規(guī)律性日變化（圖2）。觀測(cè)結(jié)果同時(shí)證實(shí)，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電離層“噴泉效應(yīng)”對(duì)雙極擴(kuò)散具有調(diào)制作用，不僅增強(qiáng)了冬季半球側(cè)的跨赤道等離子體輸運(yùn)強(qiáng)度，還塑造了沿經(jīng)度方向的結(jié)構(gòu)。
圖1 至日與分日期間（前后45天內(nèi)平均）磁赤道附近的場(chǎng)向離子漂移、雙極擴(kuò)散速度和場(chǎng)向中性風(fēng)場(chǎng)隨當(dāng)?shù)貢r(shí)間與經(jīng)度的變化
圖2 （上至下依次為）場(chǎng)向漂移（Df）、雙極擴(kuò)散、場(chǎng)向風(fēng)（Wf）、離子密度及E×B漂移（Dv）在六月（左）和十二月（右）至日期間，白天（13時(shí)±1.5小時(shí)）和夜間（1時(shí)±1.5小時(shí)）時(shí)段的緯度-經(jīng)度分布圖
該研究首次提供了頂部電離層雙極擴(kuò)散的全球圖像。該成果對(duì)深入理解電離層動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有重要意義，有望為相關(guān)模型的頂部邊界條件提供更可靠的關(guān)鍵物理約束，從而有效提升電離層模式的模擬精度與預(yù)測(cè)能力。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊GRL（杜镕金，劉立波*，張瑞龍，李文博，劉晶，劉博威，陳一定，馬晗，樂會(huì)軍. Topside ionospheric ambipolar diffusion derived from ICON observations [J].?Geophysical Research Letters, 2026,e2025GL119039. DOI:?10.1029/2025GL119039.）。研究受國(guó)家自然科學(xué)基金（42530201, 42404174）和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類（XDB0780000）的共同資助。
杜镕金（博士生）