杜镕金/刘立波等-GRL：基于ICON卫星观测研究顶部电离层双极扩散

2026-02-12

等离子体双极扩散是电离层动力学过程的重要组成部分，调节着电离层与等离子体层的耦合，密切影响着电离层的结构与能量输运。长久以来，获取双极扩散面临着巨大的技术挑战，科学界对这一关键过程认知相当薄弱。在缺乏双极扩散观测信息的制约下，现有的电离层理论模型往往在顶部采用常数扩散通量，这种简单处理严重制约了模型的模拟与预测能力。

面对这一长期存在的困局，刘立波研究团队利用ICON卫星的离子漂移速度与中性风场的协同测量数据，导出等离子体双极扩散，确定了约590公里高空顶部电离层等离子体双极扩散随纬度、经度、地方时和季节的基本变化特征。

三个季节期间磁赤道附近的场向离子漂移、双极扩散速度和场向中性风场随当地时间与经度的变化

上至下依次为场向漂移（Df）、双极扩散、场向风场（Wf）、离子密度和E×B漂移（Dv）在六月（左侧图）和十二月（右侧图）地方时13时的纬度-经度分布图

研究划分了不同物理机制主导双极扩散的区域：在磁赤道附近，太阳辐射不均匀导致南北半球等离子体压力差，驱动着跨赤道双极扩散；在低纬，由太阳辐射电离作用驱动的垂向扩散模式主导，呈现出白天向上、夜晚向下的规律性日变化。由电场驱动的电离层“喷泉效应”调制双极扩散，增强冬季半球侧的跨赤道等离子体输运，还塑造了沿经度方向的结构。

该研究首次提供了顶部电离层双极扩散的全球图像。这一成果对于深化理解电离层动力学过程具有重要的价值，可以提供更可靠的关键物理约束模型的顶部边界条件，从而提升模式模拟精度和预测能力。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（杜镕金，刘立波，张瑞龙，李文博，刘晶，刘博威，陈一定，马晗，乐会军. Topside ionospheric ambipolar diffusion derived from ICON observations. Geophysical Research Letters, 2026, 53, e2025GL119039. DOI: 10.1029/2025GL119039.）。本研究得到国家自然科学基金（42530201, 42404174）和中国科学院战略性先导科技专项B类（XDB0780000）的共同资助。