空间中心科研人员利用子午工程激光雷达和双通道光学干涉仪揭示高空钙离子层动力学特征

文章来源： | 发布时间：2026-11-10 | 【打印】【关闭】

地球热层—电离层是太阳活动和地磁扰动影响近地空间环境的重要区域。大气中的金属原子和离子主要来源于流星体烧蚀，其主要层结构通常分布在约80—110 km高度。其中，钙离子（Ca^⁺）在较高高度具有较长的化学寿命，可在中性风和电场作用下输运至数百千米高度，为研究高层大气与电离层之间的动力学耦合提供独特的示踪手段。

近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室电离层与中高层大气研究室硕士研究生毋晓飞（第一作者）、焦菁副研究员（通讯作者）、朱亚军研究员（通讯作者）等，依托子午工程激光雷达（Lidar）、双通道光学干涉仪（DCOI）等观测设备，结合电离层探测数据及数值模式模拟，在高空Ca^⁺ 层的磁暴响应、时空分布特征及动力学机制研究方面取得系列进展。相关成果发表于国际期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics。

在强磁暴响应研究方面，研究团队利用漠河Ca^⁺ 共振荧光激光雷达，对2025年元旦强磁暴期间的钙离子层演化进行了观测。此次磁暴的Dst指数最低降至约−210 nT。观测发现，原本主要集中在约110 km高度的Ca^⁺ 层快速向高空延伸，最高达到300—350 km，密度结构质心高度的表观上升率约为68.7 m/s，表现出显著的磁暴响应特征（图1）。

图1：2025年元旦强磁暴期间漠河Ca^⁺层的时空演化及地磁活动变化。

为揭示这一现象的动力学机制，研究团队结合双通道光学干涉仪（DCOI）热层风场观测、数字测高仪数据及WACCM-X模式模拟进行分析。结果表明，磁暴主相期间增强的电场可能为Ca^⁺高空输运提供有利条件，恢复初期中性风场的快速调整则可能进一步促进Ca^⁺层向高空延伸。基于DCOI观测风场估算的风驱有效垂直漂移约为80—90 m/s，与Ca^⁺密度结构质心高度的表观上升率处于相近量级，为中性风参与Ca^⁺高空输运提供了支持（图2）。

图2：磁暴期间DCOI观测与WACCM-X模拟的热层中性风场变化。

研究团队还利用北京延庆激光雷达的观测资料，对出现在约120 km及以上高度的热层—电离层Ca^⁺层（TICa^⁺层）开展了统计分析。在263个有效观测夜中，有73夜观测到TICa^⁺层，7月的发生比例最高，达58%，事件多出现在午夜前后和黎明前。研究还发现，TICa^⁺层与偶发E层及扩展F现象存在关联，可为研究电离层动力学过程提供观测线索。另一项研究发现，黄昏后的TICa⁺层可逐渐下降并与主Ca^⁺层汇合，黎明前的TICa^⁺层则可向上延伸至约220 km。基于ICON卫星热层风场估算的离子汇聚区域与观测到的层结构演化较为一致，表明潮汐风可能参与调节Ca^⁺的垂直输运。

上述研究从强磁暴响应、统计分布规律及潮汐风驱动等方面，揭示了高空Ca^⁺层的演化特征及其可能的动力学机制，体现了子午工程多设备协同观测在热层—电离层耦合研究中的重要作用。

相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目、山西省基础研究计划及海南省相关科技项目等资助，并得到子午工程等观测平台的支持。

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