GRL：火流星尾迹中尘埃等离子体结构的秒级形成

流星体进入地球大气后，通过烧蚀、碎裂和尘埃释放等过程，将地外物质注入地球大气，同时可通过电离背景大气等方式影响近地空间环境。大多数流星体的发光起始高度集中在70—120 km，在150 km以上开始发光的流星极为罕见且通常与高速彗星流星体有关。由于该高度的大气极为稀薄，流星体发光主要由其挥发性物质的溅射过程主导，这为研究彗星物质如何影响地球高层大气提供了独特窗口。

为深入探索流星体特征及其对地球高层大气的影响，中国科学院地质与地球物理研究所公共技术中心空间环境探测实验室在基金委支持下研制建设了流星不均匀体多波段探测系统（MIOS）。基于该系统于2023年8月17日19时32分（世界时）记录的一次发光起始高度异常偏高的火流星事件，实验室工程师李怡等分析了该火流星的物理化学属性及其在地球大气中产生的等离子体尾迹的时空演化特征，旨在揭示不同星际来源的流星物质注入地球大气后产生等离子体不规则结构的过程。

研究结果显示，该火流星初始速度约54.31 km/s，属于43-仙后座流星雨，其轨道特征与哈雷型彗星轨道相符。在157.8至112.0 km的高度区间，该流星体经历了早期溅射发光的阶段；自约112.0 km高度，进入明显烧蚀阶段；随后在101.6至79.5 km的高度范围内发生了多次闪耀，最大亮度出现在约83.9 km处。动力学分析表明，该流星体同时包含松散组分和相对致密区域，呈现明显的非均质结构。

图1 火流星M20230817_193225的光学轨迹及光变曲线。（a-b）MIOS三亚8号相机和乐东1号相机记录的火流星发光轨迹合成图像；（c）乐东1号相机记录的流星经过后约1 s的余辉图像；（d）MIOS三亚和乐东两站观测的光变曲线，反映该火流星的亮度随高度的变化过程

光谱观测进一步揭示了其丰富的化学成分，包括低温谱线（约4500 K，如Ca I、Mg I、Fe I和Na I）和高温谱线（约10000 K，如Ca II、Mg II和Si II）。此外，光谱中还检测到H I（656.7 nm）、O I（557.7 nm、777.6 nm）及N I等原子线，以及N₂、O₂、FeO和CaO等分子发射特征（图2）。其中，FeO、CaO及O I（557.7 nm）的发射特征与流星尾迹中烧蚀金属原子和大气氧之间的快速氧化及化学发光过程相一致。H I线的出现可能提示该彗星流星体中含有水或有机物等含氢挥发性组分。在余辉阶段，光谱主要由557.7 nm处显著的O I绿线主导，这一发射通常归因于亚稳态大气氧原子O I（¹S→¹D）的辐射衰变。

图2 火流星M20230817_193225的光谱观测结果。（a）MIOS乐东4号光谱相机记录的火流星合成光谱图像；（b）流星光谱强度分布，红色曲线表示沿流星轨迹积分的光谱强度，蓝色曲线表示余辉的光谱强度

与此同时，MIOS全天空雷达在该火流星闪耀高度附近探测到持续约160秒的非场向等离子体不均匀体回波。该回波与光学闪耀的时空位置高度吻合，表明流星体碎裂与等离子体结构形成之间存在直接联系。值得注意的是，与以往观测到的毫秒至亚秒级不均匀体形成过程不同，本次事件中雷达回波相对于光学流星的出现延迟超过4秒。研究认为，这一延迟可能反映了烧蚀产生的难挥发组分蒸汽重新凝结为纳米尺度尘埃颗粒并带电，这些带电颗粒进一步形成布拉格尺度电子密度结构的过程。这为流星尘埃驱动的非场向等离子体在“秒级”时间内形成提供了直接观测证据。该研究不仅揭示了高速彗星流星体与地球高层大气相互作用的复杂过程，也为理解地外物质注入近地空间环境如何产生尘埃等离子体结构提供了新的观测证据。

图3 火流星M20230817_193225的光学与雷达联合观测结果。（a-b）2023年8月17日19:32—19:35（世界时）期间，MIOS三亚和乐东全天空雷达记录的长持续不均匀体回波距离—时间—强度图；图中叠加了流星光学轨迹（蓝色圆点）和闪耀位置（红色十字）；（c-d）MIOS三亚和乐东两站观测的光学轨迹与雷达回波在方位角—仰角空间中的分布。插图中的紫色带状区域表示70—160 km高度范围内雷达视线垂直于地磁场的方向，表明该雷达回波具有明显的非场向特征

研究成果发表于国际学术期刊GRL（李怡，李国主*，武志，陈文志，黄照国，胡连欢，赵秀宽，孙文杰，解海永，代国峰，刘建飞，宁百齐，常首民. Second-scale formation of non-field-aligned plasma irregularities observed from a high-altitude 43-Cassiopeiids fireball[J].Geophysical Research Letters, 2026, 53(10): e2026GL121836. DOI:10.1029/2026GL121836.）。成果受国家自然科学基金和国家重点研发计划项目等资助。