一个国际团队使用基于卫星和地面的电离层观测证明，火山喷发引发的气压波可能会在电离层中产生赤道等离子气泡(EPB)，从而严重破坏基于卫星的通信。他们的发现发表在《科学报告》杂志上。

(相关资料图)

电离层是地球上层大气的区域，分子和原子在这里被太阳辐射电离，产生带正电的离子。电离粒子浓度最高的区域称为 F 区，即距地球表面150至 800公里的区域。F 区在长距离无线电通信中起着至关重要的作用，将卫星和 GPS 跟踪系统使用的无线电波反射和折射回地球表面。

这些重要的传输可能会因 F 区的异常而中断。白天，电离层被太阳的紫外线辐射电离，在赤道附近产生密度最高的电子密度梯度。然而，对此的破坏，例如等离子体、电场和中性风的运动，可能导致形成局部不规则的增强等离子体密度。该区域可以生长和进化，形成称为 EPB 的气泡状结构。EPB 可以延迟无线电波并降低 GPS 的性能。

2022年 1月 15日 11:20至 12:00 UTC 的赤道等离子气泡（EPB）和气压波观测。

（a）11时 ROTI值和 Himawari-8温度偏差（d3）的二维图:40 UT，分别用彩色和灰度表示。黄线和红线表示105公里和300公里高度的日落。水平虚线代表每10的地磁纬度。( b ) Arase 卫星观测到的电子密度和 Himawari-8 d3数据沿 Arase 卫星位置地理经度的地理纬度-时间图。( c )与图1同期的 Arase 卫星轨道沿线电子密度的 ROTI 值二维图b.平滑的灰色曲线表示 Arase 卫星轨道，而平滑曲线周围的橙色粗线表示电子密度变化。

比较对流层中的电离层运动和气压波

TEC、离子探空仪和 Himawari-8卫星观测结果之间的比较。( a c )从 PRN16获得的 GUUG 的 TEC、ROT 和 ROTI 时间序列图（对应于 GPS 卫星编号）。( d )关岛电离探空仪观测到的频率为4 MHz 的 h"F 时间序列图。每个面板中的黑色虚线( a d )表示2022年 1月 13日 04:0012:00 UTC 期间每个参数的值。( e ) Himawari-8温度偏差(d3)的地理纬度-时间图.水平虚线代表离子探空仪在关岛站的位置。底部面板中显示的地理经度和纬度( e)表示 GUUG 站和 PRN16之间300公里高度的电离层穿透点。

由于这些密度梯度会受到大气波的影响，因此长期以来一直假设它们是由火山活动等陆地事件形成的。汤加火山喷发为研究团队提供了检验这一理论的绝佳机会。

2022年1月平均ROTI与汤加火山喷发当天（2022年1月15日）ROTI的对比。

( a - c )平均 ROTI 的二维地图，分别为09:40、10:40和 11:40 UTC，除喷发日外。( d f ) ROTI 的二维地图同时显示在喷发日的面板( a c )中。黄线和红线表示105公里和300公里高度的日落。水平虚线代表每10的地磁纬度。

汤加火山喷发是历史上最大的一次海底喷发。这使得该团队能够使用 Arase 卫星检测 EPB 事件，使用 Himawari-8卫星检查气压波的初始到达和基于地面的电离层观测来跟踪电离层的运动来测试他们的理论。他们观察到在火山喷发产生的压力波到达后，赤道上出现了不规则的电子密度结构。

这项研究的结果表明，在亚洲赤道至低纬度电离层中产生了 EPB，以应对汤加附近海底火山喷发引起的压力波的到来。

该小组还有一个惊人的发现，电离层波动比等离子体气泡产生所涉及的大气压力波早几分钟到几小时开始。这可能具有重要意义，因为它表明长期存在的地圈-大气-宇宙层耦合模型需要修改，该模型指出电离层扰动仅在火山喷发后发生。

电离层与大气响应时间差的空间分布

电离层TEC扰动开始时间与对流层温度偏差的时间差的空间分布。横轴和纵轴分别以度为单位表示地理经度和纬度。色标指示范围从0 到120分钟的时间差。红色虚线是磁赤道。同心圆代表距离汤加火山每1000公里的距离。

研究团队的新发现是，在汤加火山喷发引发的冲击波最初到达前几分钟到几小时，就观察到了电离层扰动。这表明电离层中快速大气波的传播在冲击波最初到达之前触发了电离层扰动。因此，需要修改模型以考虑电离层中的这些快速大气波。

他们还发现 EPB 的延伸比标准模型预测的要远得多。

“之前的研究表明，在如此高的海拔高度形成等离子气泡是一种罕见的情况，这使得这是一种非常不寻常的现象，”

“这次喷发形成的EPB甚至到达了电离层以外的空间，这表明在发生汤加事件等极端自然现象时，应该关注电离层与宇宙层之间的联系。”

这项研究的结果不仅从科学的角度，而且从空间天气和防灾的角度来看都具有重要意义。

这项研究将有助于防止与地震、火山爆发和其他事件引起的电离层扰动，导致相关的卫星广播和通信故障。

本文参考信息：

Generation of equatorial plasma bubble after the 2022 Tonga volcanic eruption, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-33603-3