摘要：

中国科学技术大学空间物理教师党支部党员薛向辉教授研究团队利用空间环境地基台站和GNSS无线电掩星数据，发现了地球金属离子层（电离层偶发E层）存在着与太阳自转相关的27天周期性变化，表明偶发E层不单纯是电离层的突发现象，除受到背景风场的垂直风剪切和水平输运过程影响外，还受到与太阳自转周期相关的太阳风高速流和重现性地磁活动的影响。

电离层偶发E层是90公里到130公里垂直高度区域中稠密的电离层不均匀体，其中包含的离子成分几乎全部由Fe⁺，Mg⁺，Ca⁺，Na⁺等长寿命的金属离子组成。中纬地区的偶发E层是在经向风和纬向风的垂直风剪切作用下，由金属离子汇聚而形成的等离子体薄层，其受背景风场和经向环流的水平输运过程的影响而呈现出显著的季节性变化。此外，中纬度偶发E层还受到潮汐和行星波的影响表现出1天，2天，5天，10天，16天等周期性扰动；低纬度地区的偶发E层可能是由产生于大尺度电急流的等离子体不稳定性引起的；高纬度地区的偶发E层则与极光，极区电场变化和重力波活动相关。

图1 偶发E层临频foEs，太阳辐射通量F10.7，太阳风速和地磁扰动Dst指数的高频扰动（左，蓝线）和相应的Lomb-Scargle周期谱分析结果（右）

太阳活动通过太阳辐射和太阳风携带的高能粒子显著影响地球电离层和大气层，这其中太阳活动典型的11年长周期变化和由太阳较差自转引起的27天左右的短周期变化对地球高层大气的影响最为显著。本研究提取了芬兰Sodankylä台站观测的偶发E层临频（foEs），太阳辐射通量（F10.7），太阳风速度（SW speed）和地磁扰动（Dst指数）的高频扰动（周期1-60天），并进行Lomb–Scargle周期谱分析。如图1所示，可以看出偶发E层临频foEs，太阳辐射通量F10.7，太阳风速和地磁扰动Dst指数都呈现出显著的27天周期变化。其中偶发E层临频foEs，太阳风速和地磁扰动Dst指数还呈现出由太阳冕洞经度分布而引起的9天和13.5天的周期性变化，表明偶发E层中呈现出的9天，13.5天，27天的周期性变化与太阳风高速流和重现性地磁活动相关。

图2芬兰Sodankylä台站观测的偶发E层临频foEs的小波周期谱

通过利用小波分析（图2），研究发现芬兰Sodankylä台站观测的偶发E层临频foEs的12-30天周期震荡幅度（以13.5天和27天周期为主）随太阳活动周有着明显的变化，其震荡幅度与地磁扰动Dst指数的变化趋势一致，在太阳活动高年（2000-2003和2011-2014）达到最大值。

图3全球偶发E层的27天周期震荡幅度分布

研究团队进一步利用16个电离层测高仪台站和COSMIC卫星无线电掩星数据，对全球偶发E层的27天周期变化进行研究分析。如图3所示，全球偶发E层临频foEs普遍存在27天周期震荡，其中在高纬和低纬地区27天的周期震荡比较显著（10%-14%）。而在中纬度地区，偶发E层的27天周期变化则相对较弱（4%-10%），主要是因为背景风场的垂直风剪切作用在这一区域占据主导，而地磁活动的影响较弱。此外，偶发E层还会影响无线电通讯，对卫星通讯、导航、高精度定位造成严重干扰，严重时会导致卫星信号失锁和通讯中断，这一影响也可能存在着27天周期的变化。

      该研究成果以“A Signature of 27 day Solar Rotation in the Concentration of Metallic Ions within the Terrestrial Ionosphere”为题发表于国际权威学术期刊The Astrophysical Journal上。论文第一作者为英国雷丁大学的于秉坤博士，中国科学技术大学的薛向辉教授和英国雷丁大学的Christopher J. Scott教授为共同通讯作者。该研究工作得到了科学院战略性先导科技专项(XDB41000000)、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、英国皇家学会牛顿国际学者项目等资助。同时，子午工程和卢瑟福•阿普尔顿实验室为本研究提供数据支持。

文章链接：

https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac0886