為何NASA研究大氣電離層中的X、C形異常峰和氣泡

電離層處于地球大氣層的中上部分，距地球表面 80 到 643 公里的地方，此空間正好在絕大多數(shù)通信和導(dǎo)航衛(wèi)星軌道的下方。通信和導(dǎo)航衛(wèi)星信號無時無刻穿過電離層，到達地面為大家服務(wù)。

太陽風(fēng)暴過后，電離層中的等離子體會形成異常電離峰分布。地球上的火山事件和極端天氣也可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn) 。例如 2022 年 1 月15日南太平洋湯加王國的Hunga Tonga-Hunga Ha'apai海底火山噴發(fā)，將顆粒推送到地球大氣層中，甚至到達外太空。雷暴和颶風(fēng)會產(chǎn)生壓力波，這些壓力波到達影響電離層。而在夜間，由于太陽輻射變?nèi)酰婋x層中又會出現(xiàn)低密度等離子體氣泡。

GOLD，即垂直和水平的全域觀察任務(wù) Global-scale Observations of the Limb and Disk，是由NASA 在2018 年 1 月開始的電離層監(jiān)測項目。監(jiān)測衛(wèi)星以地球自轉(zhuǎn)相同的速度繞地球飛行，并懸停在西半球上空保持恒定，它能從二個維度掃描電離層中的變化并進行記錄，捕捉到電離層的變化特征， 有能力捕捉拍攝持續(xù)幾個小時的事件過程。

天文學(xué)家通過查看 GOLD 任務(wù)收集的數(shù)據(jù)，在 2019 年、2020 年和 2021 年觀察到了明顯的X 和 C 形異常峰結(jié)構(gòu)。并且還證明，即使大氣層安靜，并沒有出現(xiàn)干擾事件，但依舊會形成明顯X和C異常峰，這顛覆了長久以來人類對這些不尋常結(jié)構(gòu)形成及其潛在影響的認(rèn)知。

電離層并不是一直處于穩(wěn)定的氣體層，它始終在不斷變化。當(dāng)陽光照射它時，此區(qū)域呈現(xiàn)帶電。因為太陽輻射的能量將電子從原子和分子中敲離，在此空間內(nèi)形成等離子體，從而使無線電波能傳輸?shù)母h(yuǎn)。NASA的數(shù)據(jù)提示，在夜間太陽光的逐漸變?nèi)酰婋x層就會變薄，曾經(jīng)帶電的粒子沉淀下來，變成中性粒子，此時就會在電離層中形成氣泡。
地球的磁力線將大氣層中自由漂浮的帶電粒子帶到地磁赤道以北和以南的±15°緯度范圍內(nèi)，在距離地面250–400 km的空間，形成兩個高密度電子區(qū)域的雙峰結(jié)構(gòu)，即赤道電離異常峰（Appleton峰）。這樣，電離層內(nèi)就出現(xiàn)了形狀不同的波峰和氣泡，密度不同，對通信和 GPS 信號的傳輸形成干擾。

GOLD 是第一個明確觀察到電離層異常峰呈現(xiàn)字母形狀的任務(wù)，且證明電離層有時非常動態(tài)，并呈現(xiàn)意想不到的結(jié)構(gòu)。GOLD已經(jīng)收集到多個實例，證明在地磁安靜條件下，電離層中也會出現(xiàn) X 形，而當(dāng)時也并沒有太陽風(fēng)暴或地球極端天氣等大氣擾動。因此，一定是其他機制促成了這種形狀。

一直以來大家以為等離子體氣泡很長很直，因為它們沿著地球的磁力線形成。但新的數(shù)據(jù)證明有些氣泡類似于彎曲的形狀，看起來像 C形或反向 C形。根據(jù)研究模型，如果地球風(fēng)隨海拔升高而增加，就會形成 C 形；但如果風(fēng)隨海拔升高而減小，則可能會形成反向 C。這有點像一棵長在多風(fēng)地區(qū)的樹，樹隨著風(fēng)向而傾斜并朝那個方向生長。

根據(jù) 2023 年 11 月發(fā)表在《地球物理研究雜志：空間物理學(xué)》上的研究，GOLD 觀察到 C 形和反向 C 形等離子體氣泡異常靠近，相距僅約644 公里。兩個形狀相反的等離子體氣泡，存在于如此鄰近的區(qū)域，這在以前科學(xué)家們從未想象過，也從未被成像過，這說明大氣的動力學(xué)比預(yù)期的要復(fù)雜得多。目前研究者們假設(shè)等離子體中發(fā)生了渦旋或非常強的剪切，使該區(qū)域的等離子體完全變形。這些渦旋可以持續(xù)數(shù)小時，類似于發(fā)生在地球大氣層低層中的龍卷風(fēng)，但科學(xué)家們還無法解釋，在 “安靜時間” 段電離層中的結(jié)構(gòu)是如何形成的。

揭開等離子體氣泡形成的神秘面紗，大氣層中低層區(qū)域和太陽活動的變化如何影響了電離層中帶電粒子的運動，這些不僅是解答科學(xué)上的疑惑，也是為了減少對通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的不利影響。包括幫助天文學(xué)家開發(fā)出太空天氣預(yù)報系統(tǒng)，減少通信和導(dǎo)航擾亂。例如在 5 月 10 日地磁暴期間，自動農(nóng)業(yè)機械的GPS 接收器不能按節(jié)律收到導(dǎo)航定位信號，使得這些農(nóng)業(yè)機械無法準(zhǔn)確定位工作，因為當(dāng)時衛(wèi)星信號撞擊到電離層中大量帶電的粒子霧并丟失。

太陽目前正接近其 11 年周期的峰值，即太陽極大期，太陽風(fēng)暴會增加，帶電粒子的突然膨脹會極大改變電離層中電流的流動，電流的增加也會損壞地球上的輸電線路和接地變壓器。當(dāng)氣泡、電離峰或太陽風(fēng)暴破壞電離層中的等離子均勻分布時，通過大氣層的無線電信號就會發(fā)生變化、丟失或消失。飛機、輪船和汽車的 GPS 信號也會瞬間中斷，產(chǎn)生危及生命的影響。而GOLD的任務(wù)收集的X 和 C形數(shù)據(jù)，可幫助科學(xué)家推測背后形成機制，了解其動力學(xué)后構(gòu)建出預(yù)測系統(tǒng)，為 GPS 信號丟失和衛(wèi)星通信的中斷提前做好準(zhǔn)備。