近日，中國科學院院士、國家空間科學中心研究員王赤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進展。
該團隊基于子午工程二期監測網多種電離層探測設備，觀測到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，同時結合全球天地基數據，發現電子密度變化存在南北半球不對稱性。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造成電子密度下降，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觀測證據，推動了電離層暴物理機制的研究。
2024年5月，太陽頻繁爆發X級別大耀斑，并伴隨多次日冕物質拋射（CME）。5月10日至11日，多個CME到達地球，引發地磁強烈擾動。地磁Dst指數在5月11日世界時03:00降至-412nT，創下了過去20年地磁強度新紀錄。
在地磁暴期間，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。電離層暴研究已有較長歷史，但特大地磁暴期間電離層的變化及潛在機制仍是空間天氣研究的重要挑戰。在此次事件期間，較多電離層觀測設備特別是新建的三亞非相干散射雷達均進行了觀測，獲取了中國地區觀測數據。該團隊分析中國地區電離層總電子含量（TEC）地圖發現，5月11日至12日電離層有極強的負暴效應，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出現信號中斷現象。
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。但是，團隊通過分析三亞非相干散射雷達等離子體垂直漂移，證實低緯地區西向擾動電場是電離層電子密度急劇下降的另一原因。
進一步，該團隊分析全球GNSS-TEC數據發現，5月11日至12日全球均出現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不對稱性，即北半球電離層電子密度下降且最大降幅達98%，南半球中低緯度地區電子密度出現增強現象。歐洲Swarm衛星和美國DMSP衛星在軌觀測也證實了這種不對稱性。團隊通過觀測美國GOLD衛星中性成份并綜合分析熱層-電離層-電動力學環流模型模擬結果，證實這一南北半球不對稱性是夏季向冬季向中性風以及兩半球間ΣO/N2比值差異所致。
上述研究從中國到全球的視角分析了2024年5月磁暴期間電離層的變化特征，揭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，同時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分析并給出解釋。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。
相關研究成果發表在《國家科學評論》（National Science Review）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、國家資助博士后研究人員計劃、中國科學院戰略性先導科技專項及美國自然科學基金的支持。
子午工程觀測到中國地區TEC降低和高頻電波信號中斷
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