隨著人類太空活動(dòng)的規(guī)模和頻率持續(xù)提升，預(yù)計(jì)航天發(fā)射會(huì)對(duì)地球大氣層產(chǎn)生日益顯著的影響。然而，當(dāng)前關(guān)于航天活動(dòng)對(duì)高層大氣及電離層環(huán)境影響的認(rèn)知仍十分有限 (Shutler et al., 2022)。以往研究表明，運(yùn)載火箭在發(fā)射后經(jīng)過電離層高度時(shí)，其釋放的尾氣可以擴(kuò)散到火箭軌跡兩側(cè)數(shù)百公里的水平范圍。尾氣中大量的水汽、二氧化碳等與電離層等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起電離層電子密度的下降，甚至形成電離層空洞。在空洞內(nèi)部，局部電離層的溫度結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變。以往的星載儀器觀測到，在日間發(fā)射的Atlas V火箭誘發(fā)的電離層空洞內(nèi)，電子溫度升高了30%。相比之下，在夜間發(fā)射的Falcon火箭引起的空洞中，未觀測到電子溫度的顯著變化。受觀測條件和地理位置限制，此前觀測多為星載原位觀測，對(duì)火箭尾氣引起的電離層/熱層溫度擾動(dòng)的完整過程仍知之甚少。

針對(duì)上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生趙林軒、導(dǎo)師丁鋒及其他合作者通過三亞非相干散射雷達(dá)的高時(shí)空分辨觀測，研究了運(yùn)載火箭發(fā)射過程中電離層電子溫度與離子溫度演化的空間特征及其物理機(jī)制。

三亞非相干散射雷達(dá)位于低緯地區(qū)的海南省三亞市（18.34°N, 109.62°E；地磁傾角緯度：12.8°N）。從太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的搭載極地軌道衛(wèi)星的運(yùn)載火箭一般向南發(fā)射，經(jīng)過中國南海，其飛行軌跡與位于海南的三亞非相干散射雷達(dá)形成了獨(dú)特的觀測構(gòu)形（圖1a與圖2a），火箭飛行軌跡與三亞的最近水平距離為150~250 km。

研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)置精細(xì)探測模式，使用三亞非相干散射雷達(dá)分別對(duì)一次夜間發(fā)射和日間發(fā)射事件進(jìn)行了觀測。結(jié)果表明，在夜間火箭經(jīng)過三亞附近上空時(shí)，伴隨著電離層電子密度的下降，230~500 km高度范圍的電子溫度出現(xiàn)了最大幅度為450 K的下降（圖1）。電子溫度下降至最小值后，緩慢恢復(fù)至背景值，沒有觀測到后續(xù)電子溫度的上升。夜間空洞內(nèi)電子溫度下降的持續(xù)時(shí)間為20~86 min。電子溫度下降的垂直演化特征與電子密度下降的演化特征高度相似，均為隨高度向下擾動(dòng)幅度和持續(xù)時(shí)間增大。同時(shí)，雷達(dá)觀測到離子溫度下降了約150 K，但僅持續(xù)11~15 min。

圖1 夜間發(fā)射的火箭過境期間，SYISR觀測到的電離層電子密度(Ne)、電子溫度 (Te) 和離子溫度 (Ti) 變化情況。(a) 火箭軌跡的水平投影（黑色虛線）；(b~e) 火箭過境期間，Ne時(shí)間序列（黑色實(shí)線），以及相同時(shí)段的發(fā)射日（藍(lán)色實(shí)線）和無發(fā)射日（藍(lán)色虛線）的Te/Ti的變化時(shí)序；(f~h) Ne、Te和Ti的變化與 (i~k) 擾動(dòng)的變化。白色三角形標(biāo)注了估計(jì)的火箭過境時(shí)間與高度

日間火箭事件觀測結(jié)果則顯示，在276~490 km高度范圍內(nèi)，電子溫度出現(xiàn)了一個(gè)短暫而顯著的下降（圖2）。在434 km高度，電子溫度在5.5 min內(nèi)驟降至最大幅度約650 K。電子溫度下降到最小值后，又迅速恢復(fù)至背景值。日間空洞內(nèi)電子溫度下降的持續(xù)時(shí)間顯著小于夜間空洞。此后，電子溫度持續(xù)上升至最大幅度約1000 K，并在約1小時(shí)內(nèi)緩慢恢復(fù)至背景水平。電子溫度的上升持續(xù)了22~82.5 min，持續(xù)時(shí)長隨高度向下而增大，該垂直演化特征與電子密度的下降一致。多波束觀測顯示，電子溫度下降區(qū)域局限于火箭軌跡兩側(cè)約180 km的水平范圍和約220 km的高度范圍，其分布范圍明顯小于電子溫度上升區(qū)域與電子密度下降區(qū)域（圖3）。與此同時(shí)，離子溫度升高了約550 K，持續(xù)27.5~44 min。

圖2 日間發(fā)射的火箭過境期間，SYISR觀測到的電離層Ne、Te和Ti變化情況。圖a中SYISR周邊的黑色細(xì)實(shí)線表示波束在地面的投影，11個(gè)圓點(diǎn)表示11個(gè)波束上400 km高度的地面投影，藍(lán)色圓圈標(biāo)記了圖b~k結(jié)果所對(duì)應(yīng)的觀測波束。其它格式與圖1相同

圖3 日間發(fā)射的火箭過境期間，SYISR多波束模式觀測到的Ne相對(duì)下降(a)、Te絕對(duì)下降(b)和Te絕對(duì)上升(c)幅度的三維變化特征。各子圖中波束上的顏色代表火箭過境期間，波束對(duì)應(yīng)位置上觀測到的Ne和Te上升或下降的最大幅度。黑色圓點(diǎn)代表11個(gè)波束上200 km和600 km高度的位置，藍(lán)色虛線為火箭飛行軌跡的地面投影

日間火箭尾氣引起的電子溫度下降發(fā)生在電子密度下降之前（圖2b–圖2e）。因此，電子溫度的下降與電子密度的損耗沒有必然聯(lián)系。研究團(tuán)隊(duì)注意到，電子溫度下降僅局限在火箭軌跡附近的狹窄區(qū)域(圖3–圖4)。由此，電子溫度短暫而急劇的下降很可能與尾氣擴(kuò)散初期，火箭軌跡附近較高濃度的尾氣與背景電離層/熱層的作用有關(guān)。他們對(duì)尾氣擴(kuò)散的計(jì)算證實(shí)了這一點(diǎn)。理論研究表明，在電離層高度，火箭釋放的尾氣的擴(kuò)散將經(jīng)歷三個(gè)階段，即自連續(xù)流階段、自由膨脹階段和擴(kuò)散膨脹階段。在自連續(xù)流階段，由于背景電離層極低的環(huán)境壓強(qiáng)，火箭尾氣在噴出后會(huì)立刻膨脹，這導(dǎo)致其溫度急劇下降甚至發(fā)生凝結(jié)；早期膨脹階段冷卻后的低溫尾氣分子與電子發(fā)生碰撞與能量交換，導(dǎo)致電子溫度的突然下降；此后，隨著尾氣進(jìn)一步膨脹和擴(kuò)散，尾氣濃度快速減小，并逐漸與背景大氣達(dá)到熱平衡，對(duì)電子的冷卻效率顯著減弱；在后一階段，尾氣分子與電離層等離子體之間的化學(xué)作用降低了電子密度，從而顯著削弱了由庫侖碰撞主導(dǎo)的電子冷卻機(jī)制。這樣，在日間，電子溫度突然下降后，又在光電子加熱和減弱的庫侖碰撞冷卻的共同作用下出現(xiàn)升高。而在夜間，由于太陽輻射的消失，電子溫度僅表現(xiàn)為下降與緩慢的恢復(fù)。

圖4 Te與Ne擾動(dòng)的極值(Temin- Te0, Temax - Te0, DNe/Ne0)，以及其背景值（通過對(duì)觀測時(shí)序?yàn)V波獲得，Te0, Ne0）和極值時(shí)刻的觀測值(Temin,Temax, Nemin)。(a, b)日間擾動(dòng)；(c, d) 夜間擾動(dòng)。藍(lán)色陰影區(qū)域?qū)?yīng)圖1j中Te下降的高度區(qū)間，超出該區(qū)域，Te擾動(dòng)被觀測噪聲掩蓋

研究團(tuán)隊(duì)的觀測結(jié)果揭示了一個(gè)此前學(xué)者未曾觀測到的火箭尾氣在電離層中的冷卻效應(yīng)，并分析得到了火箭尾氣對(duì)電離層熱結(jié)構(gòu)的直接影響的完整過程。隨著人類空間發(fā)射活動(dòng)日益頻繁，火箭尾氣對(duì)地球空間環(huán)境的影響已引起廣泛關(guān)注。

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL（趙林軒，丁鋒*，樂新安，蔡毅徽，王俊逸，李肖霖，徐蘇，周旭，張寧，李鳴遠(yuǎn)，王永輝.An Abrupt Decrease in Electron Temperature Inside the Ionospheric Density Holes During the Launches of Carrier Rockets [J].Geophysical Research Letters, 2026, 53: e2025GL119866. DOI: 10.1029/2025GL119866 .）。 研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42374209, 42425403）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類（XDB0780000）和中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定支持項(xiàng)目（YSBR-018）的共同資助。