流星體進入地球大氣，常經曆濺射、碎裂、燒蝕和蒸發等過程，電離背景大氣并産生等離子體尾迹，激發等離子體不穩定性并産生不同尺度背景電離層擾動，在高空産生持久的金屬離子原子層，改變背景電離層和大氣成分。全過程探測進入地球大氣層後的流星體，對充分認識流星體以及理解流星體如何影響近地空間環境的相關問題非常重要，如：地外物質注入的通量和方式，來自彗星/小行星等不同母體的流星體對近地空間環境的影響方式，不同類型流星等離子體尾迹的産生及其母體特性、來源和分布等。

圍繞這些科學問題，在基金委重大科研儀器研制項目的支持下，中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室研制了流星不均勻體多波段探測系統(Meteor and ionospheric Irregularity Observation System, MIOS)，2018年開始在海南樂東和三亞空間環境野外觀測站開始系統安裝建設，并于2021年底完成整系統安裝，随後科研團隊對流星光學軌迹和光譜、流星等離子體尾迹和不均勻體開展了連續探測。

圖1 MIOS系統47.5 MHz相控陣雷達天線陣和光學子系統鏡頭

MIOS系統由光學和無線電2個子系統構成（圖1）。無線電子系統包括2個工作頻段：38.9MHz全天空雷達和47.5MHz相控陣雷達，可對出現在整個天空的流星等離子體尾迹鏡面回波和不均勻體非鏡面回波進行探測，并在特定的窄波束方向對流星體燒蝕蒸發電離過程中産生的流星頭和等離子體尾迹不均勻體開展高時空分辨率精細探測。光學子系統包含雙站大視場光學軌迹和光譜視頻探測，由分置在樂東和三亞的數十部窄視場鏡頭和寬視場鏡頭組成，能自動提取流星時間、方位和視星等等參數并傳遞給無線電子系統開展協同觀測分析。

團隊成員利用MIOS觀測并将研發的方法應用于子午工程全天空流星雷達，在流星體及流星等離子體尾迹的産生與演變全過程、流星雨流星普查和一類新的流星等離子體尾迹非場向不均勻體等研究中取得了初步進展。

（1）流星體及其産生的等離子體尾迹全參數探測。以MIOS系統在2022年1月2日20時30分46秒的觀測為例（圖2）。該事件由一顆非常快速的來自于哈雷類型軌道的流星體産生，其進入速度約為65.2km/s，産生的流星頭和非鏡面流星尾迹回波存在一定時延，可能表征等離子體不穩定性建立所需的時間，呈指數增長的大氣密度（以及流星體的形狀等因素）造成流星體徑向減速度從-5.9km/s²增加至-12.8km/s²，光度質量約0.154g，近日距0.457AU，半長軸22.024AU，離心率0.979，傾角145.503°，升交點經度282.122°。表明MIOS具備獲取流星體到其在地球空間産生流星等離子體尾迹全過程參數的能力。

圖2 MIOS系統2022年1月2日20時30分觀測結果。(a-b)光學軌迹的視頻合成圖像; (c)相控陣雷達流星頭和等離子體尾迹非鏡面回波強度圖; (d)全天空雷達非鏡面回波強度圖；(e)光學軌迹和等離子體尾迹不均勻體回波空間位置; (f) 流星輻射點和軌道參數; (g)流星體/流星頭回波在大氣中的減速過程；(h)流星光學強度時變曲線

（2）流星雨流星普查。利用MIOS雷達觀測的流星尾迹鏡面回波，團隊成員選取天龍座流星為研究對象，獲得了屬于天龍座流星雨的流星特征（圖3）和軌道參數。通過将發展的算法代碼應用于子午工程等全天空流星雷達，發現在2011-2021年期間，天龍座流星雨在2011、2012、2018和2019年發生了一定強度的爆發。通過D’和D_SH标準分析表明觀測的天龍座流星軌道參數與21P/Giacobini-Zinner彗星軌道非常一緻。觀測結果确認了模型對天龍座流星雨2019年爆發的預測，對于校正模型參數和探索母體彗星軌道随時間的演變等有着重要意義。

圖3 MIOS全天空雷達觀測的天龍座流星雨流星（a）輻射源、（b）速度和（c）高度分布特征

（3）一類新的等離子體尾迹非場向不均勻體。利用MIOS雷達觀測的流星等離子體尾迹非鏡面回波，團隊成員通過幹涉定位分析了其空間方位分布，發現不同于背景電離層不均勻體的高磁敏感性（即場向不均勻體），在明顯偏離垂直磁力線方向探測的流星尾迹非鏡面回波來源于非場向不均勻體，具有弱磁敏感性（圖4）。這些非場向不均勻體難以用傳統的等離子體不穩定性理論解釋，一種可能是流星體在燒蝕蒸發過程中形成了帶電塵埃尾迹。非場向不均勻體引起的非鏡面回波的平均高度比流星尾迹鏡面回波的平均高度要高2-6km，表明非場向不均勻體可能主要由初始出現在90 km 高度以上的高速流星體産生。該項研究表明在流星體進入地球大氣後的碎裂、燒蝕和蒸發等過程中，可能有一定數量的流星物質并沒有以原子蒸氣的形式進入地球大氣。

圖4 MIOS全天空雷達觀測的流星等離子體尾迹不均勻體（左）非鏡面回波事例，和（右）非鏡面回波出現方位統計分布（灰色陰影區為垂直磁力線方位）。左側顯示的流星事例中心位置偏離了垂直磁場方向12°，流星體切入地球大氣近似水平飛行超過了150 km

相關研究成果發表在空間和天文學科國際專業學術期刊JGR-Space Physics和Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。成果受國家自然科學基金科研儀器研制項目（41727803），中科院基礎研究領域青年團隊穩定支持項目（YSBR-018）和子午工程等聯合資助。

1. 李怡，李國主^*，胡連歡，趙秀寬，孫文傑，解海永，楊思朋，甯百齊. Observations of the October Draconid outburst at different latitudes along 120°E[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022, 516(4): 5538-5543. DOI: 10.1029/2022JA030458.

2. 王野，李國主^*，肖卓偉. The Local Time and Altitude Dependences of Long-Lived Nonspecular Meteor Echoes With Weak Magnetic Aspect Sensitivity at Low Latitudes[J].Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, 127(9): e2022JA030458. DOI: 10.1029/2022JA030458.

3. 李國主^*，解海永，王野，楊思朋，胡連歡，孫文傑，武志，甯百齊，李怡，趙秀寬，Iain M. Reid，餘優. Design of Meteor and Ionospheric Irregularity Observation System and First Results[J].Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, 127(4): e2022JA030380. DOI: 10.1029/2022JA030380.

美編：傅士旭

校對：萬鵬

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