NSR｜子午工程揭示2024年5月特大地磁暴期間電離層電子密度極度降低現(xiàn)象

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近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心王赤院士團(tuán)隊(duì)在特大地磁暴期間的電離層變化及機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“The extreme depletion of ionospheric electron density and its hemispheric asymmetry during the May 2024 Storm”為題，發(fā)表在National Science Review（《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》，NSR）。

該研究首次基于剛剛建成的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程（CMP）二期監(jiān)測(cè)網(wǎng)多種電離層探測(cè)設(shè)備，觀測(cè)到在2024年5月超級(jí)地磁暴期間電離層電子密度極度降低并引起高頻信號(hào)中斷的現(xiàn)象，進(jìn)一步結(jié)合全球天地基數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電子密度變化存在明顯的南北半球不對(duì)稱(chēng)性。通過(guò)數(shù)值模擬和多儀器觀測(cè)分析證實(shí)，中性成分變化和擾動(dòng)電場(chǎng)共同造成了電子密度急劇下降，而夏季到冬季半球的中性風(fēng)以及中性成份氧氮比的不對(duì)稱(chēng)性是導(dǎo)致南北半球不一致的主要原因。這一成果為特大地磁暴期間的電離層響應(yīng)及對(duì)電波系統(tǒng)的影響提供了寶貴的觀測(cè)證據(jù)，極大地推動(dòng)了當(dāng)前對(duì)電離層暴物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

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2024年5月特大地磁暴

2024年5月太陽(yáng)上頻繁爆發(fā)X級(jí)別大耀斑，并伴隨著多次日冕物質(zhì)拋射（CME），在 5月10-11日，多個(gè)CME到達(dá)地球，引發(fā)了地磁強(qiáng)烈擾動(dòng)，地磁Dst指數(shù)在5月11日世界時(shí)03:00降至-412nT，創(chuàng)下了過(guò)去20年的地磁強(qiáng)度新紀(jì)錄。此次特大地磁暴事件引起了全球的廣泛關(guān)注，也為空間天氣的觀測(cè)和機(jī)理研究提供了一次寶貴的機(jī)會(huì)。

圖1 2024 年5月風(fēng)暴期間的太陽(yáng)風(fēng)、行星際環(huán)境以及地磁Dst和Kp指數(shù)。從上圖到下圖依次為：行星際磁場(chǎng)及南北向分量、GSM坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)經(jīng)度和磁場(chǎng)緯度、太陽(yáng)風(fēng)速度、太陽(yáng)風(fēng)密度、離子溫度，以及地磁活動(dòng)指數(shù)（Dst/cDst和Kp）。

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暴時(shí)電離層電子密度極度降低

地磁暴期間，由于大量能量和動(dòng)量的注入，以及各種電動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的作用，電離層行為變得尤為復(fù)雜。盡管電離層暴研究有很長(zhǎng)歷史，但特大地磁暴期間準(zhǔn)確描述電離層的變化并揭示其潛在機(jī)制，仍然是空間天氣研究界一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。幸運(yùn)的是，2024年5月子午工程二期剛剛建成，在此次事件期間眾多電離層觀測(cè)設(shè)備，特別是新建的三亞非相干散射雷達(dá)都進(jìn)行了觀測(cè)，獲取到中國(guó)地區(qū)寶貴觀測(cè)數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)中國(guó)地區(qū)電離層總電子含量（TEC）地圖的分析，發(fā)現(xiàn)在5月11-12日電離層有極強(qiáng)的負(fù)暴效應(yīng)（電子密度降低），白天的電離層總電子含量從100TECU左右下降至10-20TECU，夜間甚至一度只有1-2個(gè)TECU，電離層幾乎消失。如此極端的電子密度降低導(dǎo)致子午工程大量數(shù)字測(cè)高儀（工作在HF波段）出現(xiàn)信號(hào)中斷的現(xiàn)象。

該團(tuán)隊(duì)分析認(rèn)為負(fù)暴響應(yīng)從高緯向低緯逐漸擴(kuò)展，說(shuō)明與中性成份的擾動(dòng)相關(guān)，衛(wèi)星觀測(cè)也表明這是電離層電子密度下降的主要原因，但通過(guò)對(duì)三亞非相干散射雷達(dá)等離子體垂直漂移的分析，證實(shí)在低緯地區(qū)西向擾動(dòng)電場(chǎng)也是電離層電子密度急劇下降的另一個(gè)不可忽視的原因。

圖2 子午工程觀測(cè)到的中國(guó)地區(qū)TEC的降低和高頻電波信號(hào)中斷。(a-b)：2024年 5月10日06:00UT，CSSL站（116.20°E， 40.30°N）和 SAYA站（109.63°E，18.35°N）的數(shù)字測(cè)高儀電離圖。(c-d)：2024年5月11日，CSSL站在01:00UT 以及 GLDC 站（110.35°E，25.35°N）在17:15UT 的電離圖中斷情況。(e-f)：2024年5月12日，SAYA 站在03:45UT以及PUJI站（103.62°E，30.31°N）在07:30UT的電離圖中斷情況。(g-i)：2024年5月10 -12日06:00UT中國(guó)地區(qū)的TEC。紅點(diǎn)表示由于電離層負(fù)面影響，全天出現(xiàn)電離圖中斷的電離層探測(cè)站位置，而綠點(diǎn)表示未出現(xiàn)中斷的站點(diǎn)。小黑三角表示全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)的位置。

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電子密度變化的南北半球不對(duì)稱(chēng)

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用MIT發(fā)布的全球GNSS-TEC的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在5月11-12日全球都出現(xiàn)了電子密度極度降低的現(xiàn)象，但電子密度降低在南北半球之間表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱(chēng)性：北半球電離層電子密度顯著下降，最大降幅達(dá)98%；南半球中低緯度地區(qū)的電子密度出現(xiàn)增強(qiáng)的現(xiàn)象。Swarm衛(wèi)星和DMSP衛(wèi)星的在軌觀測(cè)也證實(shí)了這種不對(duì)稱(chēng)性。通過(guò)對(duì)GOLD衛(wèi)星中性成份的觀測(cè)和熱層-電離層-電動(dòng)力學(xué)環(huán)流模型（TIEGCM）模擬結(jié)果結(jié)合分析，證實(shí)這種南北半球不對(duì)稱(chēng)性是由夏季向冬季向中性風(fēng)以及兩半球間 ΣO/N?比值的差異所造成的。

圖3 2024年5月10-13全球TEC變化

圖4 2024年5月10-12日10:15UT和16:20UT ΣO/N2和ΔTEC的觀測(cè)與模擬。(a)： GOLD衛(wèi)星觀測(cè)的ΣO/N2的變化。 (b)：從madrigal-TEC數(shù)據(jù)庫(kù)得到的ΔTEC。(c)：TIEGCM模擬的ΣO/N2。(d)：TIEGCM模擬的ΔTEC。

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亮點(diǎn)

該研究首次從中國(guó)到全球的視角全面分析了2024年5月磁暴期間電離層的變化特征，清晰展示了電離層電子密度的巨大降幅和明顯的南北半球不對(duì)稱(chēng)特征，并結(jié)合多種衛(wèi)星觀測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)這些暴時(shí)電離層的變化機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了令人信服的解釋。該研究還給出了子午工程觀測(cè)到的電離層負(fù)暴導(dǎo)致HF信號(hào)中斷現(xiàn)象，證實(shí)了電離層擾動(dòng)對(duì)電波系統(tǒng)的影響。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心陳艷紅研究員為論文的第一作者，合作者包括中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心王赤院士（第一通訊作者），張清和研究員（共同通訊作者），羅冰顯研究員（共同通訊作者），阿爾察研究員，李暉研究員，黃文耿研究員，沈華副研究員、袁天嬌助理研究員、王昕特別研究助理，博士生許珩、劉四維，美國(guó)麻省理工學(xué)院張順榮教授、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所樂(lè)新安研究員。

該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金（42188101，41974184），中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（XDB0560000）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFC2206902）、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃（GZC20232695）和美國(guó)自然科學(xué)基金（AGS-2033787, AGS-2149698 and AGS-2437054）共同資助。

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf307

來(lái)源：《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》

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