汤加水下火山爆发曾影响到全球一半的卫星信号

研究表明，火山爆发可以在电离层中产生等离子体气泡，极大地扰乱了卫星通信。这些发现促使人们对目前关于大气和电离层相互作用的模型进行修订。一个国际团队利用卫星和地面电离层观测证明，由火山爆发引发的气压波可以在电离层中产生赤道等离子体气泡(EPB)，严重破坏卫星通信。他们的发现将于今天(5月22日)发表在《科学报告》杂志上。

电离层是地球高层大气中分子和原子被太阳辐射电离的区域，产生带正电的离子。电离粒子浓度最高的区域被称为F-区域，是距离地球表面150至800公里的区域。F-区在长距离无线电通信中起着至关重要的作用，它将卫星和GPS跟踪系统使用的无线电波反射和折射到地球表面。

这些重要的传输工作可能会被F区的不规则现象所干扰。在白天，电离层被太阳的紫外线辐射电离，形成电子的密度梯度，赤道附近的密度最高。然而，对此的破坏，如等离子体、电场和中性风的运动，会导致形成一个局部的不规则的增强等离子体密度。这个区域可以增长和演变，形成一个叫做EPB的气泡状结构。EPB可以延迟无线电波并降低GPS的性能。

由于这些密度梯度可以受到大气波的影响，长期以来，人们假设它们是由火山活动等陆地事件形成的。对于由名古屋大学空间地球环境研究所(ISEE)的指定助理教授Atsuki Shinbori和教授Yoshizumi Miyoshi领导的国际团队，与NICT、电气通信大学、东北大学、金泽大学、京都大学和ISAS合作，汤加火山爆发为他们提供了测试这一理论的绝佳机会。

汤加火山喷发是历史上最大的海底喷发。这使得该团队能够利用Arase卫星来检测EPB的发生，利用Himawari-8卫星来检查气压波的最初到达，并利用地面电离层观测来跟踪电离层的运动，从而测试他们的理论。他们观察到整个赤道的电子密度的不规则结构，该结构发生在火山喷发产生的压力波到达之后。

Shinbori说："这项研究的结果显示，在亚洲的赤道至低纬度电离层中产生的EPB是对汤加近海海底火山喷发引起的压力波的到来的回应。"

该小组还取得了一个令人惊讶的发现。他们首次表明，电离层的波动比参与产生等离子体气泡的大气压力波早几分钟到几小时开始。这可能具有重要的意义，因为它表明长期以来坚持的即电离层扰动只发生在喷发之后地球圈-大气圈-宇宙圈耦合模型需要修改。

"我们的新发现是，电离层扰动是在汤加火山喷发引发的冲击波最初到达之前的几分钟到几小时观察到的，"Shinbori说。"这表明快速大气波在电离层的传播在冲击波最初到达之前就引发了电离层扰动。因此，需要对模型进行修改，以说明电离层中的这些快速大气波"。

他们还发现，EPB的延伸比标准模型预测的要远。"以前的研究表明，在如此高的高度形成等离子体气泡是一种罕见的现象，因此这是一个非常不寻常的现象，我们发现这次喷发形成的EPB甚至到达了电离层以外的空间，这表明当极端自然现象，如汤加事件发生时，我们应该注意电离层和宇宙层之间的联系。"

"这项研究的结果不仅从科学的角度，而且从空间天气和灾害预防的角度都具有重要意义，"他说。"在大规模事件的情况下，如汤加火山爆发，观察表明，即使在被认为在正常情况下不太可能发生的条件下，电离层中也会形成一个洞。这种情况还没有被纳入空间天气预报模型。这项研究将有助于防止与地震、火山爆发和其他事件引起的电离层干扰有关的卫星广播和通信故障。。"