空间天气科学“亮剑科学前沿  服务国家需求”系列报道（九）

 

 

地球电离层是离我们最近的太空圈层，它与人类高新技术活动乃至日常生活息息相关。电离层环境及其“天气”变化除威胁到其中的飞行器（多为低轨卫星）安全外，还对无线电通信、卫星导航定位、雷达探测等产生重要影响。电离层研究不仅有重要的学术意义，还具有广泛的应用和社会经济价值，因此吸引了全球数百个团队从事相关研究。

 

在距地球60公里至2000公里之间的地方，大气被部分电离形成电离层。电离层既受太阳风、磁暴的影响，又与下面的大气层直接联系，地面附近的多种扰动可以上传到电离层并和电离成分相互作用。

“电离层是地球上层大气被太阳短波（极紫外和X射线）辐射所电离产生。它既对太阳活动作出响应，同时又受其下面地球大气层剧烈气象活动影响，与中性大气耦合在一起。”中科院地质与地球物理研究所研究员万卫星说，“对电离层的研究包括电离层空间天气、电离层气候学、电离层与大气层耦合等主要方面。”

电离层存在不同尺度的扰动和变化。通常将时间尺度较短（周期小于27天）的电离层扰动视为电离层天气的研究对象，而将时间尺度较长（大于27天）的电离层变化归结为电离层气候学的研究内容。

“电离层空间天气研究电离层对太阳爆发、太阳风暴等的响应，包括电离层暴、电离层短时间尺度的剧烈扰动，以及这些扰动对通信、导航定位的影响定位。电离层气候学研究电离层长周期的变化，主要有季节变化、年变化、太阳活动周期变化、更长周期趋势等。”万卫星说。

近年来，我国科学家在电离层空间天气、电离层气候学及电离层与大气层耦合等研究领域取得了令人瞩目的成果，在《地球物理研究学报》（JGR）和《地球物理研究快报》（GRL）等国际一流刊物上发表了大量的高水平论文。例如，5年来，中科院地质与地球物理研究所电离层研究组在JGR上发表论文数约占“电离层和高层大气”版块中同期论文总数的5%，排名仅次于美国国家大气研究中心。

 

“太阳电磁辐射是电离层最主要的电离源，太阳活动性变化对电离层变化有强烈的调制作用。因此，我们可以通过对电离层的研究来了解太阳活动。”中科院地质与地球物理研究所研究员刘立波说。

近年来，中科院地质与地球物理研究所及北京大学的电离层研究组，在超级电离层暴、电离层突发骚扰、电离层对太阳活动的响应等方面的电离层天气与气候学研究中取得了重要突破。

在电离层突然骚扰现象研究中，北京大学电离层课题组发现向日面电离层总电子增加量与太阳天顶角相关，并进一步明确了耀斑日面位置与电离层总电子含量增加量的关系。万卫星等人的研究更正了上世纪80年代关于耀斑期间电离层总电子含量的突然增强与地理位置无关的看法，提供了利用全球GPS网监测太阳爆发的一种有效方法。

在电离层气候学研究中，研究人员基于收集整理最完整的观测资料，对中低纬地区电离层太阳活动变化性及其在不同高度上依赖性差异进行研究分析，证实电离层太阳活动变化性在中低纬地区非常显著，与所在高度、纬度和季节有关，还依赖太阳活动的历史状态。首次发现电离层总电子含量和在不同高度上电子密度对太阳活动的依赖存在三种变化趋势。提出电离层太阳活动变化性的解释模型。

在电离层暴研究中，中科院地质地球所电离层课题组对上个太阳活动周重大太阳风暴事件期间的全球电离层扰动特性进行了研究，揭示了超级电离层风暴的“超级喷泉”效应。

太阳耀斑爆发引起电离层电子密度突然增加，形成电离层突然骚扰，可导致全球短波通信中断，因而建立太阳耀斑影响电离层过程的理论和应用模型一直是全球关注的重要问题。我国学者构建了一个有实际应用意义的模型，并提出电离层不规则结构与低层大气耦合有关的新观点。

这些进展与突破对电离层物理及空间天气科学的发展具有推动作用，研究成果为探讨空间天气能量的耗散或沉淀提供了新的思路。此外，在空间天气应用的研究中，上述电离层建模研究为电离层天气预测等提供了新的依据。

 

“电离层中大气非常稀薄，根据能量守恒定律，地面大气一个振幅很小的扰动，在电离层中就会形成振幅较大的扰动，因此很容易观测到。”北京大学教授肖佐说，“地面剧烈的大气活动，比如火山爆发，地震、海啸、剧烈的台风等都会引起电离层的扰动。”

因此，通过对电离层扰动的观测和分析，可以间接了解地面大气甚至岩石圈的某些活动，例如台风、雷暴等剧烈天气过程，火山爆发、大地震和海啸等。长期以来，科学家们正努力探求地面灾害性活动的电离层响应方式。

近年来，国内学者对大气潮汐在电离层中形态和传播研究方面取得了国际关注的成果,给出了电离层与大气层耦合的直接证据，很好地解释了电离层中四波结构与地面相应潮汐波季节年际变化的关系。

在地震前兆探求方面，从统计和个例研究两方面着手，利用电离层多种参量分析地震前的异常变化，得到了一些较明显的相关现象，显示震前几天有临界频率和总电子含量的异常增加。通过国际合作，国内研究人员也利用卫星资料分析了大地震期间空间电磁场、高能带电粒子流量等数据的变化，由于大地震是小概率事件，确切地统计结论还需要更深入地从资料分析和机理探讨开展进一步研究。

“地面以下影响大气活动的因素，如地震发生前地壳的缓慢运动、岩石圈中放射性气体对底层大气电场的影响等，在底层大气中不易被发现，但它最终影响到电离层，也许能够发现。”肖佐说，“这方面的研究有助于从理论上了解大气波动的传播过程，另一方面，寻求地面灾害性事件孕育过程中对电离层的可能影响，也就是发现可能存在的相应前兆，作为一种辅助手段，对地面灾害事件的预警有重要的价值。目前地震发生时和发生后对电离层的扰动非常明显，但震前扰动并不清楚，地震预报目前还是争议较大的一个课题。”