空间中心等科研人员基于子午工程揭示2024年5月特大地磁暴期间电离层电子密度极度降低现象

近日，中国科学院国家空间科学中心王赤院士团队在特大地磁暴期间的电离层变化及机理研究方面取得重要进展，相关成果以“The extreme depletion of ionospheric electron density and its hemispheric asymmetry during the May 2024 Storm”为题，发表在国际顶级期刊National Science Review（《国家科学评论》，NSR）。

该研究首次基于刚刚建成的子午工程（CMP）二期监测网多种电离层探测设备，观测到在2024年5月超级地磁暴期间电离层电子密度极度降低并引起高频信号中断的现象，进一步结合全球天地基数据，发现电子密度变化存在明显的南北半球不对称性。通过数值模拟和多仪器观测分析证实，中性成分变化和扰动电场共同造成了电子密度急剧下降，而夏季到冬季半球的中性风以及中性成份氧氮比的不对称性是导致南北半球不一致的主要原因。这一成果为特大地磁暴期间的电离层响应及对电波系统的影响提供了宝贵的观测证据，极大地推动了当前对电离层暴物理机制的认识。

2024年5月特大地磁暴

2024年5月太阳上频繁爆发X级别大耀斑，并伴随着多次日冕物质抛射（CME），在 5月10-11日，多个CME到达地球，引发了地磁强烈扰动，地磁Dst指数在5月11日世界时03:00降至-412nT，创下了过去20年的地磁强度新纪录。此次特大地磁暴事件引起了全球的广泛关注，也为空间天气的观测和机理研究提供了一次宝贵的机会。

图1 2024 年5月风暴期间的太阳风、行星际环境以及地磁Dst和Kp指数。从上图到下图依次为：行星际磁场及南北向分量、GSM坐标系中的磁场经度和磁场纬度、太阳风速度、太阳风密度、离子温度，以及地磁活动指数（Dst/cDst和Kp）。

暴时电离层电子密度极度降低

地磁暴期间，由于大量能量和动量的注入，以及各种电动力学和动力学过程的作用，电离层行为变得尤为复杂。尽管电离层暴研究有很长历史，但特大地磁暴期间准确描述电离层的变化并揭示其潜在机制，仍然是空间天气研究界一项具有挑战性的任务。幸运的是，2024年5月子午工程二期刚刚建成，在此次事件期间众多电离层观测设备，特别是新建的三亚非相干散射雷达都进行了观测，获取到中国地区宝贵观测数据。该团队通过对中国地区电离层总电子含量（TEC）地图的分析，发现在5月11-12日电离层有极强的负暴效应（电子密度降低），白天的电离层总电子含量从100TECU左右下降至10-20TECU，夜间甚至一度只有1-2个TECU，电离层几乎消失。如此极端的电子密度降低导致子午工程大量数字测高仪（工作在HF波段）出现信号中断的现象。

该团队分析认为负暴响应从高纬向低纬逐渐扩展，说明与中性成份的扰动相关，卫星观测也表明这是电离层电子密度下降的主要原因，但通过对三亚非相干散射雷达等离子体垂直漂移的分析，证实在低纬地区西向扰动电场也是电离层电子密度急剧下降的另一个不可忽视的原因。

图2 子午工程观测到的中国地区TEC的降低和高频电波信号中断。(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）的数字测高仪电离图。(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 的电离图中断情况。(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的电离图中断情况。(g-i)：2024年5月10 -12日06:00UT中国地区的TEC。红点表示由于电离层负面影响，全天出现电离图中断的电离层探测站位置，而绿点表示未出现中断的站点。小黑三角表示全球导航卫星系统（GNSS）接收机的位置。

电子密度变化的南北半球不对称

该团队进一步利用MIT发布的全球GNSS-TEC的数据，发现在5月11-12日全球都出现了电子密度极度降低的现象，但电子密度降低在南北半球之间表现出明显的不对称性：北半球电离层电子密度显著下降，最大降幅达98%；南半球中低纬度地区的电子密度出现增强的现象。Swarm卫星和DMSP卫星的在轨观测也证实了这种不对称性。通过对GOLD卫星中性成份的观测和热层-电离层-电动力学环流模型（TIEGCM）模拟结果结合分析，证实这种南北半球不对称性是由夏季向冬季向中性风以及两半球间 ΣO/N₂比值的差异所造成的。

图3 2024年5月10-13全球TEC变化

图4 2024年5月10-12日10:15UT和16:20UT ΣO/N₂和ΔTEC的观测与模拟。(a)： GOLD卫星观测的ΣO/N₂的变化。 (b)：从madrigal-TEC数据库得到的ΔTEC。(c)：TIEGCM模拟的ΣO/N₂。(d)：TIEGCM模拟的ΔTEC。

亮点

该研究首次从中国到全球的视角全面分析了2024年5月磁暴期间电离层的变化特征，清晰展示了电离层电子密度的巨大降幅和明显的南北半球不对称特征，并结合多种卫星观测和数值模拟对这些暴时电离层的变化机理进行了详细的分析，给出了令人信服的解释。该研究还给出了子午工程观测到的电离层负暴导致HF信号中断现象，证实了电离层扰动对电波系统的影响。

中国科学院国家空间科学中心陈艳红研究员为论文的第一作者，合作者包括中国科学院国家空间科学中心王赤院士（第一通讯作者），张清和研究员（共同通讯作者），罗冰显研究员（共同通讯作者），阿尔察研究员，李晖研究员，黄文耿研究员，沈华副研究员、袁天娇助理研究员、王昕特别研究助理，博士生许珩、刘四维，美国麻省理工学院张顺荣教授、中国科学院地质与地球物理研究所乐新安研究员。

该研究受到国家自然科学基金，中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、国家资助博士后研究人员计划和美国自然科学基金共同资助。