2026年5月19日

 

• 全天成像儀捕捉到了特內里費島上空電離層中的赤道等離子體泡。
• 同時，導航衛星訊號出現了強烈的波動。
• 這使得德國航空航天中心 (DLR) 能夠直接證明電離層中的等離子體泡與衛星訊號波動之間的關聯。
• 這些觀測結果已在國際赤道高空物理研討會上發表。
• 重點領域：太空天氣、太空旅行、安全

 

2024年底，德國航空航天中心（DLR）的魚眼相機在特內里費島上空的電離層中偵測到了等離子體泡。同時，衛星訊號中也出現了強烈的波動，即閃爍現象。這使得德國航空航天中心的研究人員首次證實了閃爍現象與電離層中等離子體泡的出現之間的關聯。德國航空航天中心太陽-地球物理研究所已在國際赤道高層大氣物理學研討會（ISEA-17）上公佈了這些初步觀測結果。

 

衛星訊號中斷並非只發生在太陽風暴期間。

近年來，德國上空極光出現頻率日益增加——最近一次是在2026年1月——在此期間，電離層對全球定位系統（GPS）訊號的影響一直是人們熱議的話題。強烈的太陽風暴會顯著擾亂高層大氣中的帶電層，這可能導致定位誤差、訊號遺失或衛星導航不準確。

影響衛星導航的並非只有地磁暴。即使在相對平靜的太空環境下，也會出現一些效應，嚴重干擾GPS訊號。尤其是在赤道附近，電離層會定期形成等離子體泡。這些所謂的赤道等離子體泡（EPB）是大型結構，會干擾衛星傳送到地球的導航訊號。

 

什麼是赤道等離子泡？

赤道等離子體泡是電離層中電子密度顯著降低的區域。它們通常在日落後於地磁赤道附近的低緯度地區形成。在測量數據中，它們表現為電離層等離子體中的細長凹陷或條紋。

它們的出現頻率隨季節和地理位置而變化。單一等離子體泡可以延伸數百公里。在強烈的地磁擾動期間，它們甚至可以到達中緯度地區。在這種情況下，它們被稱為“超級等離子體泡”，可以到達緯度高達30-35度的地方，因此在特內里費島上空也能觀測到。

等離子體泡的形成歸因於一種被稱為瑞利-泰勒不穩定性（Rayleigh-Taylor instability）的物理不穩定性。簡單來說，當密度較大的層位於密度較小的層之上時，微小的擾動會導致兩層混合，從而形成等離子體泡。在電離層中，多種因素相互作用：晝夜邊界與磁場結構的對齊、高層大氣中的風、來自低層大氣的重力波、電場。在地磁暴期間，額外的電場會促進此類等離子體泡的形成。

 

為什麼等離子體氣泡會干擾GPS？

這些等離子體泡內部的小尺度結構為衛星導航帶來了一個特殊問題。它們會導致發射的無線電訊號的振幅和相位快速波動。這種效應稱為電離層閃爍。對於GPS和其他衛星導航系統而言，這會導致定位誤差、訊號不穩定，甚至短期中斷。

儘管經過數十年的研究，並非所有問題都已得到解答。為什麼等離子體泡有時會出現，有時卻不出現？哪些大氣和電離層先決條件至關重要？理解這些過程是未來更好地預測和最大限度減少衛星導航干擾的關鍵一步。

 

德國航空航天中心（DLR）魚眼相機對特內里費島的觀測

德國航空航天中心（DLR）太陽-地球物理研究所（ITPS）在特內里費島維護多台用於研究等離子體泡（EPB）的測量儀器。位於泰德火山高原海拔2372公尺的伊薩尼亞天文台配備了一台全天成像儀（魚眼相機）和專門研發的SOFPIT法布里-珀羅干涉儀。這台相機專門針對632奈米波長進行配置，觀測約250公里高空原子氧的夜空輝光，並將EPB辨識為暗雲。 SOFPIT同時測量此高度的大氣風，有望為這些等離子體泡的形成提供新的見解。此外，DLR還在特內里費島的拉古納大學運行一台GNSS閃爍接收機，用於探測對衛星導航的干擾。

首次實現了對特內里費島夜空的全天成像觀測，揭示了大規模的赤道等離子體泡（EPB）結構，並同時測量了導航衛星訊號的強烈GPS閃爍。雖然先前的研究已多次在特內里費島週邊地區乃至整個非洲觀測到GNSS閃爍（衛星訊號波動導致定位精度降低），但先前缺乏將這些擾動與赤道等離子體泡（EPB）直接聯繫起來的證據。此次將等離子體泡的光學觀測與GPS擾動的同步測量結合，是一項重大進展。目前正在進行的詳細測量數據分析將有助於更好地理解此類等離子體結構的形成、發展和影響，從而進一步改進基於衛星的電離層擾動預測和評估系統。

 

[照片]

(A) 赤道等離子泡圖像

圖中看起來像烏雲的東西，其實是電離層夜輝影像中等離子體泡的典型形態。此圖拍攝於2024年11月30日晚上11點（世界協調時）。

(B) 特內里費島的DLR相機

位於伊祖阿納天文台的德國航太中心（DLR）SOFPIT貨櫃內裝有該研究所自主研發的法布里-珀羅干涉儀。全天成像儀魚眼相機則安裝在貨櫃頂部。