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象

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近日，中國科學院國家空間科學中心王赤院士團隊在特大地磁暴期間的電離層變化及機理研究方面取得重要進展，相關成果以“The extreme depletion of ionospheric electron density and its hemispheric asymmetry during the May 2024 Storm”為題，發表在National Science Review（《國家科學評論》，NSR）。

該研究首次基于剛剛建成的國家重大科技基礎設施子午工程（CMP）二期監測網多種電離層探測設備，觀測到在2024年5月超級地磁暴期間電離層電子密度極度降低并引起高頻信號中斷的現象，進一步結合全球天地基數據，發現電子密度變化存在明顯的南北半球不對稱性。通過數值模擬和多儀器觀測分析證實，中性成分變化和擾動電場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以及中性成份氧氮比的不對稱性是導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及對電波系統的影響提供了寶貴的觀測證據，極大地推動了當前對電離層暴物理機制的認識。

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2024年5月特大地磁暴

2024年5月太陽上頻繁爆發X級別大耀斑，并伴隨著多次日冕物質拋射（CME），在 5月10-11日，多個CME到達地球，引發了地磁強烈擾動，地磁Dst指數在5月11日世界時03:00降至-412nT，創下了過去20年的地磁強度新紀錄。此次特大地磁暴事件引起了全球的廣泛關注，也為空間天氣的觀測和機理研究提供了一次寶貴的機會。

圖1 2024 年5月風暴期間的太陽風、行星際環境以及地磁Dst和Kp指數。從上圖到下圖依次為：行星際磁場及南北向分量、GSM坐標系中的磁場經度和磁場緯度、太陽風速度、太陽風密度、離子溫度，以及地磁活動指數（Dst/cDst和Kp）。

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暴時電離層電子密度極度降低

地磁暴期間，由于大量能量和動量的注入，以及各種電動力學和動力學過程的作用，電離層行為變得尤為復雜。盡管電離層暴研究有很長歷史，但特大地磁暴期間準確描述電離層的變化并揭示其潛在機制，仍然是空間天氣研究界一項具有挑戰性的任務。幸運的是，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設備，特別是新建的三亞非相干散射雷達都進行了觀測，獲取到中國地區寶貴觀測數據。該團隊通過對中國地區電離層總電子含量（TEC）地圖的分析，發現在5月11-12日電離層有極強的負暴效應（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TECU，電離層幾乎消失。如此極端的電子密度降低導致子午工程大量數字測高儀（工作在HF波段）出現信號中斷的現象。

該團隊分析認為負暴響應從高緯向低緯逐漸擴展，說明與中性成份的擾動相關，衛星觀測也表明這是電離層電子密度下降的主要原因，但通過對三亞非相干散射雷達等離子體垂直漂移的分析，證實在低緯地區西向擾動電場也是電離層電子密度急劇下降的另一個不可忽視的原因。

圖2 子午工程觀測到的中國地區TEC的降低和高頻電波信號中斷。(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）的數字測高儀電離圖。(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中國地區的TEC。紅點表示由于電離層負面影響，全天出現電離圖中斷的電離層探測站位置，而綠點表示未出現中斷的站點。小黑三角表示全球導航衛星系統（GNSS）接收機的位置。

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電子密度變化的南北半球不對稱

該團隊進一步利用MIT發布的全球GNSS-TEC的數據，發現在5月11-12日全球都出現了電子密度極度降低的現象，但電子密度降低在南北半球之間表現出明顯的不對稱性：北半球電離層電子密度顯著下降，最大降幅達98%；南半球中低緯度地區的電子密度出現增強的現象。Swarm衛星和DMSP衛星的在軌觀測也證實了這種不對稱性。通過對GOLD衛星中性成份的觀測和熱層-電離層-電動力學環流模型（TIEGCM）模擬結果結合分析，證實這種南北半球不對稱性是由夏季向冬季向中性風以及兩半球間 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的觀測與模擬。(a)： GOLD衛星觀測的ΣO/N2的變化。 (b)：從madrigal-TEC數據庫得到的ΔTEC。(c)：TIEGCM模擬的ΣO/N2。(d)：TIEGCM模擬的ΔTEC。

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亮點

該研究首次從中國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稱特征，并結合多種衛星觀測和數值模擬對這些暴時電離層的變化機理進行了詳細的分析，給出了令人信服的解釋。該研究還給出了子午工程觀測到的電離層負暴導致HF信號中斷現象，證實了電離層擾動對電波系統的影響。

中國科學院國家空間科學中心陳艷紅研究員為論文的第一作者，合作者包括中國科學院國家空間科學中心王赤院士（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，美國麻省理工學院張順榮教授、中國科學院地質與地球物理研究所樂新安研究員。

該研究受到國家自然科學基金（42188101，41974184），中國科學院戰略性先導科技專項（XDB0560000）、國家重點研發計劃（2024YFC2206902）、國家資助博士后研究人員計劃（GZC20232695）和美國自然科學基金（AGS-2033787, AGS-2149698 and AGS-2437054）共同資助。

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

來源：《國家科學評論》

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