電離層偶發E層（Sporadic E layer，簡稱Es層）,存在於地面上方90-130km以內的空間區域，是在風剪下作用下形成的密度顯著高於周邊區域的金屬離子層。由於風剪下結構受到多種物理機制的調製，因此Es層內常伴隨有各種尺度的不均勻結構。在之前的研究中，孫文傑等（2018, 2020, 2021，JGR）開發了從GNSS TEC資料中提取Es擾動的方法，並基於統計研究得到了大尺度（大於1000km）強Es的形態結構（多為西北-東南向延展的帶狀結構）、運動特性（以30-210m/s的速度向西南方向漂移）和主要的產生源區（20°-45°N/100°-125°E）。然而，在Es大尺度形態的內部，還伴有各種小尺度的精細不均勻結構，這些小尺度不均勻結構使得Es內部具有複雜的形態特徵和物理特性。另一方面，基於GNSS觀測資料定義的電離層指數多適用於F區不均勻體，如在赤道等離子體泡研究中常用的ROTI指數和幅度閃爍指數S4，由於其較低的時間解析度（5分鐘）或對Es較低的敏感度，不適用於表徵具有精細小尺度結構的Es不均勻體。
在中科院地質與地球物理研究所實驗技術創新基金支援下，空間環境探測實驗室研發了一套可獲得高時間解析度TEC和閃爍指數的GNSS觀測系統，並將該系統應用在電離層不均勻體和閃爍觀測網（IONISE）的建設中。該觀測系統在IONISE觀測網中主要沿23°N和110°E架設，並在磁赤道區建有觀測點（如圖1所示）。他們在該研究中利用觀測網1秒解析度的TEC，提出了一種高時間解析度（30秒）的Es指數HR-ROTI。圖2所示為該Es指數與傳統的電離層指數在強Es觀測中的對比。由圖2可見，強Es結構引起的TEC擾動多為幾分鐘左右的毛刺狀突起，相比於其他指數，HR-ROTI能完美地捕捉和表徵小尺度Es不均勻體擾動的形態，並能在毛刺狀擾動連續出現時將其清晰分辨。
圖1 研究所用到的儀器站點分佈
圖2 強Es事件中的(a) 1秒解析度TEC與S4指數，(b) 傳統ROTI指數和本研究提出的Es指數（HR-ROTI）
利用該Es指數，孫文傑等綜合多站點觀測資料，對小尺度Es不均勻體結構的空間尺度和間隔進行了統計研究（圖3）。統計結果顯示，小尺度Es不均勻體結構的典型時間尺度和時間間隔分別約為2分鐘和2-4.5分鐘，根據以往研究中Es的典型漂移速度60m/s，得到小尺度Es不均勻結構的典型空間尺度和空間間隔（週期）分別約為7km和7-16km，而傳統的電離層指數ROTI 由於較低的時間解析度並不能得到Es結構內部小尺度不均勻體的空間資訊。結合北京和三亞的測高儀觀測結果，他們進一步研究了強Es不均勻體在不同緯度對GNSS訊號閃爍的影響（圖4）。結果表明，雖然Es層密度高，但由於其厚度小，因此引起訊號幅度閃爍的機率較低；由於衛星訊號在更高的緯度擁有更低的仰角，訊號在Es層內經過的路徑更長，因此在中緯（北京）和低緯（三亞）強Es引起幅度閃爍的機率分別為37%和12%。
圖3 由Es指數（上）和ROTI（下）得到的Es不均勻結構的典型時間尺度（左）和不均勻結構之間的典型時間間隔（右）
圖4 北京（上）和三亞（下）Es指數與foEs（左）和幅度閃爍指數S4（右）的統計關係
該研究首次利用高時間解析度TEC提出了一種表徵強Es不均勻體的指數，利用該指數分析得到了Es不均勻體內部小尺度結構的典型空間尺寸和空間間隔，研究結果不僅與以往的雷達（VHF雷達、InSAR雷達等）觀測相吻合，還為KH不穩定性調製小尺度Es結構的理論研究提供了觀測支撐。
研究成果發表於空間物理學國際學術期刊JGR: Space Physics（孫文傑，胡連歡，楊雨嫣，趙秀寬，楊思朋，解海永，李怡，劉立波，寧百齊，李國主*. Occurrence of regional strong Es irregularities and corresponding scintillations characterized using a high-temporal-resolution GNSS network [J].Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2021,126(11): e2021JA 029460. DOI: 10.1029/ 2021JA 029460）。成果受國家自然科學基金（No. 42020104002, 41727803, 42074190, 41904141）、中科院國際合作專案、中科院日地網和子午工程等聯合資助。
美編：傅士旭
校對：李玉鈐、趙娜
