李怡/王野/李国主等-MNRAS&JGR&JGR：
地球空间流星等离子体尾迹及其母体特征研究

2022-11-02

流星体进入地球大气，常经历溅射、碎裂、烧蚀和蒸发等过程，电离背景大气并产生等离子体尾迹，激发等离子体不稳定性并产生不同尺度背景电离层扰动，在高空产生持久的金属离子原子层，改变背景电离层和大气成分。全过程探测进入地球大气层后的流星体，对充分认识流星体以及理解流星体如何影响近地空间环境的相关问题非常重要，如：地外物质注入的通量和方式，来自彗星/小行星等不同母体的流星体对近地空间环境的影响方式，不同类型流星等离子体尾迹的产生及其母体特性、来源和分布等。

围绕这些科学问题，在基金委重大科研仪器研制项目的支持下，中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室研制了流星不均匀体多波段探测系统(Meteor and ionospheric Irregularity Observation System, MIOS)，2018年开始在海南乐东和三亚空间环境野外观测站开始系统安装建设，并于2021年底完成整系统安装，随后科研团队对流星光学轨迹和光谱、流星等离子体尾迹和不均匀体开展了连续探测。

图1 MIOS系统47.5 MHz相控阵雷达天线阵和光学子系统镜头

MIOS系统由光学和无线电2个子系统构成（图1）。无线电子系统包括2个工作频段：38.9 MHz全天空雷达和47.5 MHz相控阵雷达，可对出现在整个天空的流星等离子体尾迹镜面回波和不均匀体非镜面回波进行探测，并在特定的窄波束方向对流星体烧蚀蒸发电离过程中产生的流星头和等离子体尾迹不均匀体开展高时空分辨率精细探测。光学子系统包含双站大视场光学轨迹和光谱视频探测，由分置在乐东和三亚的数十部窄视场镜头和宽视场镜头组成，能自动提取流星时间、方位和视星等等参数并传递给无线电子系统开展协同观测分析。

团队成员利用MIOS观测并将研发的方法应用于子午工程全天空流星雷达，在流星体及流星等离子体尾迹的产生与演变全过程、流星雨流星普查和一类新的流星等离子体尾迹非场向不均匀体等研究中取得了初步进展。

（1）流星体及其产生的等离子体尾迹全参数探测。以MIOS系统在2022年1月2日20时30分46秒的观测为例（图2）。该事件由一颗非常快速的来自于哈雷类型轨道的流星体产生，其进入速度约为65.2 km/s，产生的流星头和非镜面流星尾迹回波存在一定时延，可能表征等离子体不稳定性建立所需的时间，呈指数增长的大气密度（以及流星体的形状等因素）造成流星体径向减速度从-5.9 km/s2 增加至-12.8 km/s2，光度质量约0.154 g，近日距0.457 AU，半长轴22.024 AU，离心率0.979，倾角145.503°，升交点经度282.122°。表明MIOS具备获取流星体到其在地球空间产生流星等离子体尾迹全过程参数的能力。

图2 MIOS系统2022年1月2日20时30分观测结果。(a-b)光学轨迹的视频合成图像;
(c)相控阵雷达流星头和等离子体尾迹非镜面回波强度图; (d)全天空雷达非镜面回波强度图；
(e)光学轨迹和等离子体尾迹不均匀体回波空间位置; (f) 流星辐射点和轨道参数;
(g)流星体/流星头回波在大气中的减速过程；(h)流星光学强度时变曲线

（2）流星雨流星普查。利用MIOS雷达观测的流星尾迹镜面回波，团队成员选取天龙座流星为研究对象，获得了属于天龙座流星雨的流星特征（图3）和轨道参数。通过将发展的算法代码应用于子午工程等全天空流星雷达，发现在2011-2021年期间，天龙座流星雨在2011、2012、2018和2019年发生了一定强度的爆发。通过D’和DSH标准分析表明观测的天龙座流星轨道参数与21P/Giacobini-Zinner彗星轨道非常一致。观测结果确认了模型对天龙座流星雨2019年爆发的预测，对于校正模型参数和探索母体彗星轨道随时间的演变等有着重要意义。

图3 MIOS全天空雷达观测的天龙座流星雨流星(a)辐射源、(b)速度和(c)高度分布特征

　（3）一类新的等离子体尾迹非场向不均匀体。利用MIOS雷达观测的流星等离子体尾迹非镜面回波，团队成员通过干涉定位分析了其空间方位分布，发现不同于背景电离层不均匀体的高磁敏感性（即场向不均匀体），在明显偏离垂直磁力线方向探测的流星尾迹非镜面回波来源于非场向不均匀体，具有弱磁敏感性（图4）。这些非场向不均匀体难以用传统的等离子体不稳定性理论解释，一种可能是流星体在烧蚀蒸发过程中形成了带电尘埃尾迹。非场向不均匀体引起的非镜面回波的平均高度比流星尾迹镜面回波的平均高度要高2-6 km，表明非场向不均匀体可能主要由初始出现在90 km 高度以上的高速流星体产生。该项研究表明在流星体进入地球大气后的碎裂、烧蚀和蒸发等过程中，可能有一定数量的流星物质并没有以原子蒸气的形式进入地球大气。

图4 MIOS全天空雷达观测的流星等离子体尾迹不均匀体（左）非镜面回波事例，和（右）非镜面回波出现方位统计分布（灰色阴影区为垂直磁力线方位）。左侧显示的流星事例中心位置偏离了垂直磁场方向12°，流星体切入地球大气近似水平飞行超过了150 km

相关研究成果发表在空间和天文学科国际专业学术期刊JGR-Space Physics和Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。成果受国家自然科学基金科研仪器研制项目（41727803），中科院基础研究领域青年团队稳定支持项目（YSBR-018）和子午工程等联合资助。