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探索宇宙奥秘 · 理性思考

深夜，你正用手机导航穿越城市，屏幕上的定位图标突然开始漂移。卫星通信信号闪烁不定，GPS接收器陷入迷茫。这种看似神秘的干扰，往往源自赤道上方数百公里处发生的物理现象——赤道等离子体泡（EPB）。中国科学院国家空间科学中心依托子午工程，历时一年半的连续观测，首次精确刻画了中国南部上空这类"电离层空洞"与高层大气风的运动关联，相关成果发表于《地球物理学研究杂志：空间物理学》。

赤道等离子体泡是低纬度电离层中一种剧烈的等离子体密度耗空现象。日落之后，电离层底部会因瑞利-泰勒不稳定性产生上涌的气泡状结构。这些气泡内部电子密度极低，像一面面不规则的镜子反射和散射无线电信号。

当卫星信号穿过EPB时，会发生快速波动和闪烁。严重时，通信链路直接中断。赤道地区的卫星通信、GPS导航和雷达系统长期受其困扰。理解并预测EPB的运动规律，是空间天气预报的核心课题之一。

驱动EPB漂移的关键力量来自热层中性风。但热层位于地表250公里以上，空气极其稀薄，直接探测难度极大。长期以来，中国南部上空的EPB运动与中性风关系缺乏系统观测数据，形成研究空白。

中国科学院国家空间科学中心团队依托子午工程（中国空间环境地基综合监测网），解决了这一难题。他们整合了双通道光学干涉仪与全天空气辉成像仪的观测数据。

这套组合实现了对250公里高度热层纬向中性风与EPB漂移速度的同步反演。双通道光学干涉仪通过探测氧原子红线（630.0纳米）的多普勒频移计算风速。全天空气辉成像仪则追踪EPB边界的移动轨迹。

研究团队积累了1.5年的连续观测资料。这是中国首次在本土低纬地区获得如此长时间序列的高精度中性风与EPB协同观测数据。子午工程作为目前世界上规模最大的空间环境地基监测网络，其观测能力在此得到充分验证。

数据分析揭示了EPB运动的精细物理图像。研究发现，超过50%的EPB样本与纬向中性风以相同速度运动。这表明在这些情况下，F区发电机效应被完全激活，中性风通过碰撞拖拽等离子体，成为漂移的主导因素。

但规律并非简单线性。观测显示，子夜前中性风速度普遍大于EPB漂移速度。子夜后，情况发生反转，EPB速度超过中性风。这种差异源于额外的调制机制。

日落后的E区发电机过程会产生极化电场。EPB内部也存在复杂的极化电场结构。这些电场与中性风产生的电场相互作用，共同决定EPB的最终运动速度。此外，这种对应关系还受到季节变化和地磁活动的显著调制。

该发现修正了以往单纯依赖中性风预测EPB路径的简单化模型。它证明在低纬地区，必须同时考虑中性动力学与电磁过程的耦合效应。

从科学史维度看，EPB研究经历了从雷达回波探测到光学成像观测的技术演进。早期研究集中在南美秘鲁、东南亚等赤道地区。中国南部地处低纬，是连接赤道与中纬的关键过渡带，其物理过程具有独特性。

此次研究标志着中国在该领域从"跟跑"转向"并跑"。子午工程提供了其他国家难以复制的长期连续观测能力。结合即将建成的子午工程二期，中国将具备从太阳到地球空间的完整监测链条。

这项基础研究的实用价值显著。它为开发中国低纬区域电离层预报模型提供了关键参数。未来，当北斗导航信号穿过中国南部电离层时，我们可以更准确地预判它是否会遭遇"气泡"干扰。

精确的时空预报能力，最终将转化为更可靠的卫星通信和更精准的定位服务。

中国科学院国家空间科学中心，科研人员利用子午工程数据揭示赤道等离子体泡与中性风关联，2025年。

国家自然科学基金委员会相关项目资助信息。