GRL：火流星尾跡中塵埃等離子體結(jié)構(gòu)的秒級形成

流星體進(jìn)入地球大氣后，通過燒蝕、碎裂和塵埃釋放等過程，將地外物質(zhì)注入地球大氣，同時(shí)可通過電離背景大氣等方式影響近地空間環(huán)境。大多數(shù)流星體的發(fā)光起始高度集中在70—120 km，在150 km以上開始發(fā)光的流星極為罕見且通常與高速彗星流星體有關(guān)。由于該高度的大氣極為稀薄，流星體發(fā)光主要由其揮發(fā)性物質(zhì)的濺射過程主導(dǎo)，這為研究彗星物質(zhì)如何影響地球高層大氣提供了獨(dú)特窗口。

為深入探索流星體特征及其對地球高層大氣的影響，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所公共技術(shù)中心空間環(huán)境探測實(shí)驗(yàn)室在基金委支持下研制建設(shè)了流星不均勻體多波段探測系統(tǒng)（MIOS）?；谠撓到y(tǒng)于2023年8月17日19時(shí)32分（世界時(shí)）記錄的一次發(fā)光起始高度異常偏高的火流星事件，實(shí)驗(yàn)室工程師李怡等分析了該火流星的物理化學(xué)屬性及其在地球大氣中產(chǎn)生的等離子體尾跡的時(shí)空演化特征，旨在揭示不同星際來源的流星物質(zhì)注入地球大氣后產(chǎn)生等離子體不規(guī)則結(jié)構(gòu)的過程。

研究結(jié)果顯示，該火流星初始速度約54.31 km/s，屬于43-仙后座流星雨，其軌道特征與哈雷型彗星軌道相符。在157.8至112.0 km的高度區(qū)間，該流星體經(jīng)歷了早期濺射發(fā)光的階段；自約112.0 km高度，進(jìn)入明顯燒蝕階段；隨后在101.6至79.5 km的高度范圍內(nèi)發(fā)生了多次閃耀，最大亮度出現(xiàn)在約83.9 km處。動力學(xué)分析表明，該流星體同時(shí)包含松散組分和相對致密區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖1 火流星M20230817_193225的光學(xué)軌跡及光變曲線。（a-b）MIOS三亞8號相機(jī)和樂東1號相機(jī)記錄的火流星發(fā)光軌跡合成圖像；（c）樂東1號相機(jī)記錄的流星經(jīng)過后約1 s的余輝圖像；（d）MIOS三亞和樂東兩站觀測的光變曲線，反映該火流星的亮度隨高度的變化過程

光譜觀測進(jìn)一步揭示了其豐富的化學(xué)成分，包括低溫譜線（約4500 K，如Ca I、Mg I、Fe I和Na I）和高溫譜線（約10000 K，如Ca II、Mg II和Si II）。此外，光譜中還檢測到H I（656.7 nm）、O I（557.7 nm、777.6 nm）及N I等原子線，以及N?、O?、FeO和CaO等分子發(fā)射特征（圖2）。其中，F(xiàn)eO、CaO及O I（557.7 nm）的發(fā)射特征與流星尾跡中燒蝕金屬原子和大氣氧之間的快速氧化及化學(xué)發(fā)光過程相一致。H I線的出現(xiàn)可能提示該彗星流星體中含有水或有機(jī)物等含氫揮發(fā)性組分。在余輝階段，光譜主要由557.7 nm處顯著的O I綠線主導(dǎo)，這一發(fā)射通常歸因于亞穩(wěn)態(tài)大氣氧原子O I（1S→1D）的輻射衰變。

圖2 火流星M20230817_193225的光譜觀測結(jié)果。（a）MIOS樂東4號光譜相機(jī)記錄的火流星合成光譜圖像；（b）流星光譜強(qiáng)度分布，紅色曲線表示沿流星軌跡積分的光譜強(qiáng)度，藍(lán)色曲線表示余輝的光譜強(qiáng)度

與此同時(shí)，MIOS全天空雷達(dá)在該火流星閃耀高度附近探測到持續(xù)約160秒的非場向等離子體不均勻體回波。該回波與光學(xué)閃耀的時(shí)空位置高度吻合，表明流星體碎裂與等離子體結(jié)構(gòu)形成之間存在直接聯(lián)系。值得注意的是，與以往觀測到的毫秒至亞秒級不均勻體形成過程不同，本次事件中雷達(dá)回波相對于光學(xué)流星的出現(xiàn)延遲超過4秒。研究認(rèn)為，這一延遲可能反映了燒蝕產(chǎn)生的難揮發(fā)組分蒸汽重新凝結(jié)為納米尺度塵埃顆粒并帶電，這些帶電顆粒進(jìn)一步形成布拉格尺度電子密度結(jié)構(gòu)的過程。這為流星塵埃驅(qū)動的非場向等離子體在“秒級”時(shí)間內(nèi)形成提供了直接觀測證據(jù)。該研究不僅揭示了高速彗星流星體與地球高層大氣相互作用的復(fù)雜過程，也為理解地外物質(zhì)注入近地空間環(huán)境如何產(chǎn)生塵埃等離子體結(jié)構(gòu)提供了新的觀測證據(jù)。

圖3 火流星M20230817_193225的光學(xué)與雷達(dá)聯(lián)合觀測結(jié)果。（a-b）2023年8月17日19:32—19:35（世界時(shí)）期間，MIOS三亞和樂東全天空雷達(dá)記錄的長持續(xù)不均勻體回波距離—時(shí)間—強(qiáng)度圖；圖中疊加了流星光學(xué)軌跡（藍(lán)色圓點(diǎn)）和閃耀位置（紅色十字）；（c-d）MIOS三亞和樂東兩站觀測的光學(xué)軌跡與雷達(dá)回波在方位角—仰角空間中的分布。插圖中的紫色帶狀區(qū)域表示70—160 km高度范圍內(nèi)雷達(dá)視線垂直于地磁場的方向，表明該雷達(dá)回波具有明顯的非場向特征

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL（李怡，李國主*，武志，陳文志，黃照國，胡連歡，趙秀寬，孫文杰，解海永，代國峰，劉建飛，寧百齊，常首民. Second-scale formation of non-field-aligned plasma irregularities observed from a high-altitude 43-Cassiopeiids fireball[J].Geophysical Research Letters, 2026, 53(10): e2026GL121836. DOI:10.1029/2026GL121836.）。成果受國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等資助。