GRL：火流星尾跡中塵埃等離子體結構的秒級形成

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

為深入探索流星體特征及其對地球高層大氣的影響，中國科學院地質與地球物理研究所公共技術中心空間環境探測實驗室在基金委支持下研制建設了流星不均勻體多波段探測系統（MIOS）。基于該系統于2023年8月17日19時32分（世界時）記錄的一次發光起始高度異常偏高的火流星事件，實驗室工程師李怡等分析了該火流星的物理化學屬性及其在地球大氣中產生的等離子體尾跡的時空演化特征，旨在揭示不同星際來源的流星物質注入地球大氣后產生等離子體不規則結構的過程。

研究結果顯示，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的高度區間，該流星體經歷了早期濺射發光的階段；自約112.0 km高度，進入明顯燒蝕階段；隨后在101.6至79.5 km的高度范圍內發生了多次閃耀，最大亮度出現在約83.9 km處。動力學分析表明，該流星體同時包含松散組分和相對致密區域，呈現明顯的非均質結構。

圖1 火流星M20230817_193225的光學軌跡及光變曲線。（a-b）MIOS三亞8號相機和樂東1號相機記錄的火流星發光軌跡合成圖像；（c）樂東1號相機記錄的流星經過后約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

光譜觀測進一步揭示了其豐富的化學成分，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等分子發射特征（圖2）。其中，FeO、CaO及O I（557.7 nm）的發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發光過程相一致。H I線的出現可能提示該彗星流星體中含有水或有機物等含氫揮發性組分。在余輝階段，光譜主要由557.7 nm處顯著的O I綠線主導，這一發射通常歸因于亞穩態大氣氧原子O I（1S→1D）的輻射衰變。

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

與此同時，MIOS全天空雷達在該火流星閃耀高度附近探測到持續約160秒的非場向等離子體不均勻體回波。該回波與光學閃耀的時空位置高度吻合，表明流星體碎裂與等離子體結構形成之間存在直接聯系。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，本次事件中雷達回波相對于光學流星的出現延遲超過4秒。研究認為，這一延遲可能反映了燒蝕產生的難揮發組分蒸汽重新凝結為納米尺度塵埃顆粒并帶電，這些帶電顆粒進一步形成布拉格尺度電子密度結構的過程。這為流星塵埃驅動的非場向等離子體在“秒級”時間內形成提供了直接觀測證據。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雜過程，也為理解地外物質注入近地空間環境如何產生塵埃等離子體結構提供了新的觀測證據。

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

研究成果發表于國際學術期刊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基金和國家重點研發計劃項目等資助。