GRL：大尺度波动调制的等离子体泡寿命千公里波状起伏

图1 千公里尺度波动调制EPB寿命示意图

我们头顶几百公里外的电离层，并不是一片宁静的等离子体海洋，而是一个充满暗流与涌动的世界。在这里，赤道等离子体泡（EPB）像巨大的空洞一样漂浮在等离子体之中，其内密布的小尺度不均匀体会扰乱穿越其中的无线电波，导致卫星导航信号闪烁、通信中断，甚至影响航空与海事安全。以往的研究发现EPB可在数千至上万公里的大经度范围内随日落依次产生。而在相邻经度上相继生成的EPB，其内部不均匀体的寿命一般大致相同（如图2中2025年2月6日）。这是因为它们共享相似的背景条件，也即，电离层的大尺度环境在短时间内不会剧烈变化，局部生成条件类似，因此EPB的“生命长度”理应相近。

图2 基于赤道和低纬地区GNSS观测得到的2025年2月1-7日ROTI（表征EPB内的不均匀体）经度切片，其中2月4日不均匀体寿命体现出渐变趋势

然而，2025年2月4日的观测打破了这一固有印象。该日不同经度上的EPB不均匀体寿命似乎呈现出一种渐变趋势，如图2中白色箭头所示。依托覆盖上万公里的 GNSS 监测网、低纬超视距电离层雷达（LARID）、流星不均匀体多波段探测系统（MIOS）甚高频（VHF）相干散射雷达以及赤道电离层测高仪链，中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室孙文杰等捕捉到一种前所未见的形态：在 80°E 到 135°E 的广阔经度范围内，EPB 不均匀体的寿命并不是一致的，而是呈现出一种准波动的形态——先逐渐缩短，再变长，再缩短，再变长，像海浪一样起伏。波长约为 3000 公里，最长寿命可达 8 小时，最短不足 3 小时（图3）。

图3 2025年2月4日（a）LARID观测的EPB回波沿不同经度的变化，（b）ROTI的经度切片，以及（c）基于PPEFM模型计算的赤道电场变化。其中，桃红色曲线为不同经度上的日落时间，图b中黑色箭头标注了可辨别的数个EPB结构，图c中黑色星号表示每个识别出的EPB结构中不均匀体持续时间，其体现出准波状变化

更有趣的是，研究发现EPB不均匀体寿命沿经度的波动起伏与不同经度上EPB的发展情况密切相关，寿命更长的EPB，往往在高度上攀升得更高，并沿磁力线映射到更广的纬度；寿命短的则相反。换言之，EPB的“生命长度”与它的“成长高度”紧密相连（图4）。这很可能是因为发展到更高高度的EPB可形成更深的等离子体密度耗空，而更深的等离子体密度耗空可提供更大的密度梯度，更有利于EPB内不均匀体的维持。

图4 2025年2月4日（a-e）ROTI沿着不同经度的纬度切片，以及（f）地方时日落后2小时时段内的ROTI地图。红色箭头表征EPB扩展纬度的变化趋势

进一步的分析揭示，这种EPB寿命的波状起伏形态可能并非由驱动EPB产生的赤道日落电场调制形成（因为图3c电场并未体现出相应波动变化），而是与其背后藏着的两股“暗流”密切相关：一股是百公里级的小尺度波动，它们在日落前后增强F层底部的隆起，为 EPB的生成提供“种子”条件，是决定EPB生成的“点火器”；另一股则是千公里级的大尺度波动，它们叠加在赤道日落电场之上，调制不同经度上的F层基底高度，从而决定EPB能爬多高、活多久，是EPB寿命的“调节器”。基于LARID回波（图5）、MIOS VHF雷达回波与赤道测高仪链的观测，证实了此事件中千公里大尺度波动和百公里小尺度波动同时存在于电离层底部。这些多尺度波动的共同作用，促成了EPB在广阔经度范围内不均匀体寿命的波状起伏。

图5 LARID地面回波中大尺度调制波与小尺度种子波同时存在的观测证据

该研究揭示了广阔经度范围内EPB演化规律新特性，也为空间天气预报提供了新的线索。在未来的EPB活动预测工作中，不仅要看局部的生成条件，还要考虑数千公里尺度内的大范围背景调制。这对于保障卫星导航、通信和航空安全具有重要的应用价值。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（孙文杰，Yuichi Otsuka，李国主，Prayitno Abadi，王泽权，代国峰，胡连欢，赵必强，刘建飞，解海永，赵秀宽，李怡，宁百齐，Atsuki Shinbori，Michi Nishioka，Septi Perwitasari. Thousand-kilometer-scale wavelike undulations in ionospheric plasma bubble lifetime and development over wide longitudes [J].Geophysical Research Letters, 2026, 53 (6): e2025GL121459. DOI:10.1029/2025GL121459.）。成果受国家重点研发计划(2025YFF0510702，2025YFE0115800)、国家自然科学基金项目(442020104002，U25A20397, 42404180，42574220，41727803)、名古屋大学国际合作交流项目、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目(YSBR-018)、中国科学院日地网和子午工程等联合资助。