发现汤加水下火山喷发扰乱了半个地球的卫星信号

一个国际团队使用基于卫星和地面的电离层观测证明，火山喷发引发的气压波可能会在电离层中产生赤道等离子气泡 (EPB)，从而严重破坏基于卫星的通信。他们的发现发表在《科学报告》杂志上。

电离层是地球上层大气的区域，分子和原子在这里被太阳辐射电离，产生带正电的离子。电离粒子浓度最高的区域称为 F 区，即距地球表面 150 至 800 公里的区域。F 区在长距离无线电通信中起着至关重要的作用，将卫星和 GPS 跟踪系统使用的无线电波反射和折射回地球表面。

这些重要的传输可能会因 F 区的异常而中断。白天，电离层被太阳的紫外线辐射电离，在赤道附近产生密度最高的电子密度梯度。然而，对此的破坏，例如等离子体、电场和中性风的运动，可能导致形成局部不规则的增强等离子体密度。该区域可以生长和进化，形成称为 EPB 的气泡状结构。EPB 可以延迟无线电波并降低 GPS 的性能。

由于这些密度梯度会受到大气波的影响，因此长期以来一直假设它们是由火山活动等陆地事件形成的。由名古屋大学太空地球环境研究所(ISEE)指定助理教授 Atsuki Shinbori(他，他)和 Yoshizumi Miyoshi 教授(他，他)领导的国际团队与 NICT 合作，电子大学- 通讯，东北大学，金泽大学，京都大学和ISAS，汤加火山喷发为他们提供了检验这一理论的绝佳机会。

汤加火山喷发是历史上最大的一次海底喷发。这使得该团队能够使用 Arase 卫星检测 EPB 事件，使用 Himawari-8 卫星检查气压波的初始到达和基于地面的电离层观测来跟踪电离层的运动来测试他们的理论。他们观察到在火山喷发产生的压力波到达后，赤道上出现了不规则的电子密度结构。

“这项研究的结果表明，在亚洲赤道到低纬度电离层中产生了 EPB，以响应汤加附近海底火山爆发引起的压力波的到来，”Shinbori 说。

该小组还有一个惊人的发现。他们首次表明，电离层波动比等离子体气泡产生所涉及的大气压力波早几分钟到几小时开始。这可能具有重要意义，因为它表明长期存在的地圈-大气-宇宙层耦合模型需要修改，该模型指出电离层扰动仅在火山喷发后发生。

“我们的新发现是，在汤加火山喷发引发的冲击波最初到达前几分钟到几小时，就观察到了电离层扰动，”Shinbori 说。“这表明快速大气波在电离层中的传播在冲击波最初到达之前触发了电离层扰动。因此，需要修改模型以解释电离层中的这些快速大气波。”

他们还发现 EPB 的延伸比标准模型预测的要远得多。“之前的研究表明，在如此高的海拔高度形成等离子气泡是一种罕见的情况，这使得这是一种非常不寻常的现象，”Shinbori 说。“我们发现这次喷发形成的电离层甚至到达了电离层以外的空间，这表明在汤加事件等极端自然现象发生时，我们应该关注电离层与宇宙层之间的联系。”

他说：“这项研究的结果不仅从科学的角度，而且从空间天气和防灾的角度来看都具有重要意义。” “在汤加火山喷发等大规模事件的情况下，观察表明，即使在被认为在正常情况下不太可能发生的条件下，电离层也会形成一个洞。此类案例尚未纳入空间天气预报模型。这项研究将有助于预防与地震、火山爆发和其他事件引起的电离层扰动相关的卫星广播和通信故障。”

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