NSR｜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（以下简称“空间中心”）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National Science Review（《国家科学评论》，NSR）。

该研究首次基于刚刚建成的国家重大科技基础设施子午工程（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。

空间中心陈艳红研究员为论文的第一作者，合作者包括空间中心王赤院士（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的共同资助。

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）。

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。

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。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf307

（供稿：天气室）