胡连欢等-GRL：我国超视距雷达监测磁暴期间
太平洋至非洲上空大范围赤道等离子体泡

2024-08-27

赤道等离子体泡（Equatorial Plasma Bubble, EPB）是一种重要的空间天气现象，能引起卫星导航定位误差增大，甚至中断卫星通讯。为认清赤道等离子体泡的逐日变化并对其开展短临预测，需大范围连续监测其产生与运动演化过程，重点解决海洋上空难以连续观测的难题。在“子午工程二期”等支持下，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研制了低纬超视距电离层雷达（Low lAtitude long Range Ionospheric raDar，LARID），首次实现了对海南岛东西两侧各3000 km范围赤道等离子体泡的超视距探测，为监测海洋上空赤道等离子体泡提供了一种有力手段（参见《首台低纬超视距电离层雷达研制与初步观测结果》）。

LARID系统设计在理论上具备探测更大范围赤道等离子体泡的可能。然而由于无线电波的传播路径复杂，特别是在地磁暴等极端空间天气事件下，空间环境的剧烈扰动可能对无线电波路径产生显著的影响。复杂条件下LARID是否可以在更远距离（超过3000 km）探测赤道等离子体泡仍有待验证。

图1 位于海南东方台站的LARID雷达极远距离探测视场图。蓝色和红色实线代表LARID西向和东向探测波束，黑点和绿圈代表对比研究中采用的GNSS接收机和电离层测高仪台站位置

为了充分挖掘LARID探测潜力，实现对印度洋至西太平洋上空等离子体泡的有效监测，为全球等离子体泡超视距雷达监测网的设计和建设提供技术基础，2023年11月，空间环境探测实验室胡连欢高级工程师、李国主研究员及合作者使用LARID设计了一种极远距离模式开展赤道等离子体泡探测实验。图1展示了实验期间LARID的观测视场图。实验中LARID东、西向波束的探测距离均为9600 km，东向最远可达太平洋中部，西向最远可达非洲中部，雷达视场覆盖了约180°的经度范围。实验期间，11月4-6日发生了一次剧烈的地磁暴事件，影响了全球空间环境，我国漠河等地也观测到了极光现象（央视新闻）。此次磁暴为验证LARID在空间天气事件中的极远距离赤道等离子体泡探测能力提供了极佳的机会。

图2 2023年11月5日地磁暴期间，LARID探测的赤道等离子体泡回波的多普勒速度图，其中椭圆框所示的蓝色和红色区域为探测到赤道等离子体泡的区域

此次磁暴期间，LARID的东向波束和西向波束均探测到极远距离的赤道等离子体泡。图2显示东向波束探测到的赤道等离子体泡位于西太平洋上空，分别距离LARID台站1000-2000 km、3000-4500 km和5000-7000 km。西向波束探测到的赤道等离子体泡位于西亚-非洲上空，距离LARID台站6000-9000 km。结合空间环境探测实验室建设的IONISE观测网和全球GNSS观测网，以及不同经度区域的电离层测高仪观测（见图1站点分布），研究团队对此次磁暴期间的大范围赤道等离子体泡现象开展了机理分析。结果表明，在暴时电场等影响下，赤道电离层底部快速抬升，为赤道等离子体泡的产生提供了有利条件，分别在西太平洋和西亚-非洲上空产生赤道等离子体泡。

图3 LARID极远距离探测等离子体泡示意图

图3展示了LARID极远距离探测大范围赤道等离子体泡的示意图。LARID雷达发射的无线电波经过电离层-地面多次折射/反射实现超视距传播，照射到赤道等离子体泡不均匀体时产生强后向散射从而被LARID的天线阵接收到。研究结果表明，即使在地磁暴期间，我国海南的LARID雷达也可监测西起东非、东至中太平洋约半个地球经度扇区上空的赤道等离子体泡现象。这一结果对未来构建低纬赤道超视距电离层雷达网有着重要意义：在全球低纬赤道不同经度建设3-4台类似LARID 的超视距雷达，有望实现对全球赤道等离子体泡的无缝实时监测。