为何NASA研究大气电离层中的X、C形异常峰和气泡

电离层处于地球大气层的中上部分，距地球表面 80 到 643 公里的地方，此空间正好在绝大多数通信和导航卫星轨道的下方。通信和导航卫星信号无时无刻穿过电离层，到达地面为大家服务。

太阳风暴过后，电离层中的等离子体会形成异常电离峰分布。地球上的火山事件和极端天气也可能导致这种现象出现 。例如 2022 年 1 月15日南太平洋汤加王国的Hunga Tonga-Hunga Ha'apai海底火山喷发，将颗粒推送到地球大气层中，甚至到达外太空。雷暴和飓风会产生压力波，这些压力波到达影响电离层。而在夜间，由于太阳辐射变弱，电离层中又会出现低密度等离子体气泡。

GOLD，即垂直和水平的全域观察任务 Global-scale Observations of the Limb and Disk，是由NASA 在2018 年 1 月开始的电离层监测项目。监测卫星以地球自转相同的速度绕地球飞行，并悬停在西半球上空保持恒定，它能从二个维度扫描电离层中的变化并进行记录，捕捉到电离层的变化特征， 有能力捕捉拍摄持续几个小时的事件过程。

天文学家通过查看 GOLD 任务收集的数据，在 2019 年、2020 年和 2021 年观察到了明显的X 和 C 形异常峰结构。并且还证明，即使大气层安静，并没有出现干扰事件，但依旧会形成明显X和C异常峰，这颠覆了长久以来人类对这些不寻常结构形成及其潜在影响的认知。

电离层并不是一直处于稳定的气体层，它始终在不断变化。当阳光照射它时，此区域呈现带电。因为太阳辐射的能量将电子从原子和分子中敲离，在此空间内形成等离子体，从而使无线电波能传输的更远。NASA的数据提示，在夜间太阳光的逐渐变弱，电离层就会变薄，曾经带电的粒子沉淀下来，变成中性粒子，此时就会在电离层中形成气泡。
地球的磁力线将大气层中自由漂浮的带电粒子带到地磁赤道以北和以南的±15°纬度范围内，在距离地面250–400 km的空间，形成两个高密度电子区域的双峰结构，即赤道电离异常峰（Appleton峰）。这样，电离层内就出现了形状不同的波峰和气泡，密度不同，对通信和 GPS 信号的传输形成干扰。

GOLD 是第一个明确观察到电离层异常峰呈现字母形状的任务，且证明电离层有时非常动态，并呈现意想不到的结构。GOLD已经收集到多个实例，证明在地磁安静条件下，电离层中也会出现 X 形，而当时也并没有太阳风暴或地球极端天气等大气扰动。因此，一定是其他机制促成了这种形状。

一直以来大家以为等离子体气泡很长很直，因为它们沿着地球的磁力线形成。但新的数据证明有些气泡类似于弯曲的形状，看起来像 C形或反向 C形。根据研究模型，如果地球风随海拔升高而增加，就会形成 C 形；但如果风随海拔升高而减小，则可能会形成反向 C。这有点像一棵长在多风地区的树，树随着风向而倾斜并朝那个方向生长。

根据 2023 年 11 月发表在《地球物理研究杂志：空间物理学》上的研究，GOLD 观察到 C 形和反向 C 形等离子体气泡异常靠近，相距仅约644 公里。两个形状相反的等离子体气泡，存在于如此邻近的区域，这在以前科学家们从未想象过，也从未被成像过，这说明大气的动力学比预期的要复杂得多。目前研究者们假设等离子体中发生了涡旋或非常强的剪切，使该区域的等离子体完全变形。这些涡旋可以持续数小时，类似于发生在地球大气层低层中的龙卷风，但科学家们还无法解释，在 “安静时间” 段电离层中的结构是如何形成的。

揭开等离子体气泡形成的神秘面纱，大气层中低层区域和太阳活动的变化如何影响了电离层中带电粒子的运动，这些不仅是解答科学上的疑惑，也是为了减少对通信和导航系统的不利影响。包括帮助天文学家开发出太空天气预报系统，减少通信和导航扰乱。例如在 5 月 10 日地磁暴期间，自动农业机械的GPS 接收器不能按节律收到导航定位信号，使得这些农业机械无法准确定位工作，因为当时卫星信号撞击到电离层中大量带电的粒子雾并丢失。

太阳目前正接近其 11 年周期的峰值，即太阳极大期，太阳风暴会增加，带电粒子的突然膨胀会极大改变电离层中电流的流动，电流的增加也会损坏地球上的输电线路和接地变压器。当气泡、电离峰或太阳风暴破坏电离层中的等离子均匀分布时，通过大气层的无线电信号就会发生变化、丢失或消失。飞机、轮船和汽车的 GPS 信号也会瞬间中断，产生危及生命的影响。而GOLD的任务收集的X 和 C形数据，可帮助科学家推测背后形成机制，了解其动力学后构建出预测系统，为 GPS 信号丢失和卫星通信的中断提前做好准备。