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一個國際團隊利用衛(wèi)星和地面電離層觀測證明，火山爆發(fā)引發(fā)的氣壓波可能在電離層產(chǎn)生赤道等離子體氣泡(EPB)，嚴(yán)重破壞衛(wèi)星通信。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)報告》雜志上。

電離層是地球高層大氣的區(qū)域，分子和原子被太陽輻射電離，產(chǎn)生帶正電的離子。電離粒子濃度最高的區(qū)域稱為F區(qū)，即地球表面上方150至800公里的區(qū)域。F區(qū)在遠(yuǎn)距離無線電通信中起著至關(guān)重要的作用，將衛(wèi)星和GPS跟蹤系統(tǒng)使用的無線電波反射和折射回地球表面。

這些重要的傳播可能會因F區(qū)的不規(guī)則性而中斷。白天，電離層被太陽的紫外線輻射電離，在赤道附近產(chǎn)生密度最高的電子密度梯度。然而，對此的破壞，例如等離子體，電場和中性風(fēng)的運動，可能導(dǎo)致形成增強等離子體密度的局部不規(guī)則性。這個區(qū)域可以生長和進(jìn)化，形成一種稱為EPB的氣泡狀結(jié)構(gòu)。EPB 會延遲無線電波并降低 GPS 的性能。

由于這些密度梯度會受到大氣波的影響，因此長期以來一直假設(shè)它們是由火山活動等陸地事件形成的。對于由名古屋大學(xué)空間地球環(huán)境研究所(ISEE)的指定助理教授Atsuki Shinbori(他，他)和Yoshizumi Miyoshi教授(他，他)領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊，與NICT，電氣通信大學(xué)，東北大學(xué)，金澤大學(xué)，京都大學(xué)和ISAS合作，湯加火山噴發(fā)為他們提供了一個測試這一理論的絕佳機會。

湯加火山噴發(fā)是歷史上最大的海底噴發(fā)。這使得該團隊能夠使用Arase衛(wèi)星來檢測EPB的發(fā)生，使用Himawari-8衛(wèi)星來檢查氣壓波的初始到達(dá)以及地面電離層觀測以跟蹤電離層的運動來測試他們的理論。他們觀察到赤道上電子密度的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這是在火山爆發(fā)產(chǎn)生的壓力波到達(dá)后發(fā)生的。

“這項研究的結(jié)果顯示，亞洲赤道至低緯度電離層產(chǎn)生的盾構(gòu)機是為了應(yīng)對湯加附近海底火山噴發(fā)引起的壓力波的到來，”Shinbori說。

該小組還取得了令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。他們首次表明，電離層漲落比等離子體氣泡產(chǎn)生的大氣壓力波早幾分鐘到幾小時開始。這可能具有重要意義，因為它表明需要修訂長期存在的地圈-大氣-宇宙圈耦合模型，該模型指出電離層擾動只發(fā)生在火山爆發(fā)之后。

“我們的新發(fā)現(xiàn)是，在湯加火山爆發(fā)引發(fā)的沖擊波最初到達(dá)之前幾分鐘到幾小時觀察到電離層擾動，”Shinbori說。“這表明快速大氣波在電離層中的傳播在沖擊波最初到達(dá)之前觸發(fā)了電離層擾動。因此，需要修改模型以解釋電離層中的這些快速大氣波。

他們還發(fā)現(xiàn)，EPB的延伸比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的要遠(yuǎn)得多。“以前的研究表明，在如此高的海拔地區(qū)形成等離子體氣泡是罕見的，這使得這是一種非常不尋常的現(xiàn)象，”Shinbori說。“我們發(fā)現(xiàn)這次噴發(fā)形成的EPB甚至到達(dá)了電離層以外的空間，這表明當(dāng)湯加事件等極端自然現(xiàn)象發(fā)生時，我們應(yīng)該注意電離層和宇宙圈之間的聯(lián)系。

“這項研究的結(jié)果不僅從科學(xué)的角度來看意義重大，而且從空間天氣和防災(zāi)的角度來看也是重要的，”他說。“在湯加火山噴發(fā)等大規(guī)模事件的情況下，觀測表明，即使在正常情況下被認(rèn)為不太可能發(fā)生的條件下，電離層中也會形成一個洞。這種情況尚未納入空間天氣預(yù)報模型。這項研究將有助于預(yù)防與地震、火山爆發(fā)和其他事件引起的電離層擾動相關(guān)的衛(wèi)星廣播和通信故障。

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