赵林轩 | 丁锋等-GRL：火箭尾气给太空“制冷”？

随着人类太空活动的规模和频率持续提升，预计航天发射会对地球大气层产生日益显著的影响。然而，当前关于航天活动对高层大气及电离层环境影响的认知仍十分有限 (Shutler et al., 2022)。以往研究表明，运载火箭在发射后经过电离层高度时，其释放的尾气可以扩散到火箭轨迹两侧数百公里的水平范围。尾气中大量的水汽、二氧化碳等与电离层等离子体发生化学反应，引起电离层电子密度的下降，甚至形成电离层空洞。在空洞内部，局部电离层的温度结构也会发生改变。以往的星载仪器观测到，在日间发射的Atlas V火箭诱发的电离层空洞内，电子温度升高了30%。相比之下，在夜间发射的Falcon火箭引起的空洞中，未观测到电子温度的显著变化。受观测条件和地理位置限制，此前观测多为星载原位观测，对火箭尾气引起的电离层/热层温度扰动的完整过程仍知之甚少。

针对上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室博士生赵林轩、导师丁锋及其他合作者通过三亚非相干散射雷达的高时空分辨观测，研究了运载火箭发射过程中电离层电子温度与离子温度演化的空间特征及其物理机制。

三亚非相干散射雷达位于低纬地区的海南省三亚市（18.34°N, 109.62°E；地磁倾角纬度：12.8°N）。从太原卫星发射中心发射的搭载极地轨道卫星的运载火箭一般向南发射，经过中国南海，其飞行轨迹与位于海南的三亚非相干散射雷达形成了独特的观测构形（图1a与图2a），火箭飞行轨迹与三亚的最近水平距离为150~250 km。

研究团队通过设置精细探测模式，使用三亚非相干散射雷达分别对一次夜间发射和日间发射事件进行了观测。结果表明，在夜间火箭经过三亚附近上空时，伴随着电离层电子密度的下降，230~500 km高度范围的电子温度出现了最大幅度为450 K的下降（图1）。电子温度下降至最小值后，缓慢恢复至背景值，没有观测到后续电子温度的上升。夜间空洞内电子温度下降的持续时间为20~86 min。电子温度下降的垂直演化特征与电子密度下降的演化特征高度相似，均为随高度向下扰动幅度和持续时间增大。同时，雷达观测到离子温度下降了约150 K，但仅持续11~15 min。

图1 夜间发射的火箭过境期间，SYISR观测到的电离层电子密度(Ne)、电子温度 (Te) 和离子温度 (Ti) 变化情况。(a) 火箭轨迹的水平投影（黑色虚线）；(b~e) 火箭过境期间，Ne时间序列（黑色实线），以及相同时段的发射日（蓝色实线）和无发射日（蓝色虚线）的Te/Ti的变化时序；(f~h) Ne、Te和Ti的变化与 (i~k) 扰动的变化。白色三角形标注了估计的火箭过境时间与高度

日间火箭事件观测结果则显示，在276~490 km高度范围内，电子温度出现了一个短暂而显著的下降（图2）。在434 km高度，电子温度在5.5 min内骤降至最大幅度约650 K。电子温度下降到最小值后，又迅速恢复至背景值。日间空洞内电子温度下降的持续时间显著小于夜间空洞。此后，电子温度持续上升至最大幅度约1000 K，并在约1小时内缓慢恢复至背景水平。电子温度的上升持续了22~82.5 min，持续时长随高度向下而增大，该垂直演化特征与电子密度的下降一致。多波束观测显示，电子温度下降区域局限于火箭轨迹两侧约180 km的水平范围和约220 km的高度范围，其分布范围明显小于电子温度上升区域与电子密度下降区域（图3）。与此同时，离子温度升高了约550 K，持续27.5~44 min。

图2 日间发射的火箭过境期间，SYISR观测到的电离层Ne、Te和Ti变化情况。图a中SYISR周边的黑色细实线表示波束在地面的投影，11个圆点表示11个波束上400 km高度的地面投影，蓝色圆圈标记了图b~k结果所对应的观测波束。其它格式与图1相同

图3 日间发射的火箭过境期间，SYISR多波束模式观测到的Ne相对下降(a)、Te绝对下降(b)和Te绝对上升(c)幅度的三维变化特征。各子图中波束上的颜色代表火箭过境期间，波束对应位置上观测到的Ne和Te上升或下降的最大幅度。黑色圆点代表11个波束上200 km和600 km高度的位置，蓝色虚线为火箭飞行轨迹的地面投影

日间火箭尾气引起的电子温度下降发生在电子密度下降之前（图2b–图2e）。因此，电子温度的下降与电子密度的损耗没有必然联系。研究团队注意到，电子温度下降仅局限在火箭轨迹附近的狭窄区域(图3–图4)。由此，电子温度短暂而急剧的下降很可能与尾气扩散初期，火箭轨迹附近较高浓度的尾气与背景电离层/热层的作用有关。他们对尾气扩散的计算证实了这一点。理论研究表明，在电离层高度，火箭释放的尾气的扩散将经历三个阶段，即自连续流阶段、自由膨胀阶段和扩散膨胀阶段。在自连续流阶段，由于背景电离层极低的环境压强，火箭尾气在喷出后会立刻膨胀，这导致其温度急剧下降甚至发生凝结；早期膨胀阶段冷却后的低温尾气分子与电子发生碰撞与能量交换，导致电子温度的突然下降；此后，随着尾气进一步膨胀和扩散，尾气浓度快速减小，并逐渐与背景大气达到热平衡，对电子的冷却效率显著减弱；在后一阶段，尾气分子与电离层等离子体之间的化学作用降低了电子密度，从而显著削弱了由库仑碰撞主导的电子冷却机制。这样，在日间，电子温度突然下降后，又在光电子加热和减弱的库仑碰撞冷却的共同作用下出现升高。而在夜间，由于太阳辐射的消失，电子温度仅表现为下降与缓慢的恢复。

图4 Te与Ne扰动的极值(Temin- Te0, Temax - Te0, DNe/Ne0)，以及其背景值（通过对观测时序滤波获得，Te0, Ne0）和极值时刻的观测值(Temin,Temax, Nemin)。(a, b)日间扰动；(c, d) 夜间扰动。蓝色阴影区域对应图1j中Te下降的高度区间，超出该区域，Te扰动被观测噪声掩盖

研究团队的观测结果揭示了一个此前学者未曾观测到的火箭尾气在电离层中的冷却效应，并分析得到了火箭尾气对电离层热结构的直接影响的完整过程。随着人类空间发射活动日益频繁，火箭尾气对地球空间环境的影响已引起广泛关注。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（赵林轩，丁锋*，乐新安，蔡毅徽，王俊逸，李肖霖，徐苏，周旭，张宁，李鸣远，王永辉.An Abrupt Decrease in Electron Temperature Inside the Ionospheric Density Holes During the Launches of Carrier Rockets [J].Geophysical Research Letters, 2026, 53: e2025GL119866. DOI: 10.1029/2025GL119866 .）。 研究受国家自然科学基金项目（42374209, 42425403）、中国科学院战略性先导科技专项B类（XDB0780000）和中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目（YSBR-018）的共同资助。