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趙必強等-JGR:揭示1989年超級磁暴東亞電離層東西演化差異機制
2019-12-16 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  空間天氣是由太陽活動引起的一種日地空間環境短時間尺度的變化過程,當空間天氣變化十分劇烈時,會對人類高技術系統產生嚴重的影響,這種空間天氣稱為災害性空間天氣。在歷史上,最為著名的災害性空間天氣事件當屬1989313日的特大磁暴,加拿大魁北克地區和美國新澤西州供電系統在此次磁暴中受到嚴重破壞,導致魁北克地區在寒冷的冬夜停電9小時,美國多顆衛星短暫失去聯系,無線電短波通訊受到嚴重干擾,引起了全社會的震驚和對太陽風暴的廣泛關注。 

  此次大磁暴也引起了全球高層大氣和電離層的強烈擾動,全球80%地區的日間電離層F層峰值電子密度在磁暴主相和恢復相期間下降超過90%。通常來說,這是特大磁暴期間中低緯電離層受到高緯中性成分擾動的一種演化規律,即當大磁暴來臨時,通常全球中高緯地區出現大范圍無差別的強負相擾動(電子密度下降),然而中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室趙必強研究員及其合作者通過對1989年地面和高空數據的重新整理和分析,特別是加入中國地區的地面觀測資料后發現,此次特大磁暴期間電離層在東亞中緯地區的分布具有很強的緯向梯度,即在相隔不大的經度扇區內電離層暴時變化差異顯著。 

  他們針對此次磁暴事件收集整理了東亞地區16個地面測高儀臺站數據(圖1),將這些臺站按地理位置分布以120°E為界分為東部經度扇區和西部經度扇區。通過提取臺站觀測的F2層峰值濃度等參量NmF2、NmF2%來考察不同扇區電離層暴時演化差異?;谶@16個臺站的觀測可以看出東亞電離層存在強緯向梯度變化,為了進一步證實這個結論,他們收集了此次磁暴期間DMSP(頂部電離層觀測衛星)觀測的頂部電離層電子密度和速度變化等參量(圖3),發現DMSP F8衛星經過觀測到的840 km電子密度Ni存在顯著的經度差異,130°E、110°E90°ENi13日增幅分別為2-3倍、5-610-15倍,而Ni14日下降幅度分別為90%、50%10%。由此可見,頂部電離層Ni1314日存在強的緯向梯度變化。地面和高空數據都顯示此次磁暴主相和恢復相期間有明顯的緯向梯度變化,那么造成這種梯度變化的機制又是什么呢? 

1 中國及其周邊地區的測高儀觀測臺站的地理分布

2 東部地區測高儀觀測NmF2(左)和中西部地區測高儀觀測的NmF2(右)
左:東部扇區的電離層臺站從中緯到磁赤道地區(YK, KB, WA, CC, KO, YA, OKMN)在磁暴主相和恢復相期間(1312 UT1418 UT)其F2層峰值密度均出現長時間大幅度下降,持續時間超過24個小時。右:西部扇區的電離層臺站只在中緯度地區出現大幅下降,如IR,MZ等臺站,而靠近中國中西部地區的WM,TK,LZ其下降幅度與東部同磁緯的臺站相比并不顯著,低緯臺站CQ,GZHK站其下降幅度也均小于東部扇區的同緯度臺站。

3  DMSP F8衛星經過130°E、110°E90°E觀測到的840 km電子密度Ni與垂直軌道速度V。不同顏色代表不同日的觀測結果:紅色為13日磁暴主相,綠色為14日恢復相,黑色為12日暴前,藍色為暴后15

  他們借助美國大氣物理中心NCAR-TIEGCM模式對此次超級磁暴事件在真實地磁場和偏心偶極場兩種情況下進行了模擬(圖4)。模擬結果顯示在考慮真實地磁場情況下的模擬結果要遠好于偏心偶極場結果,模擬結果幾乎重現此次磁暴在東亞地區的響應?;谝陨鲜聦?,他們認為由于地球的真實地磁場存在顯著的南北差異,從而導致南北半球極區注入能量的不一致是東亞扇區經度差異形成的機制。南半球磁場較弱且磁極緯度更低,靠近澳大利亞扇區,使得南半球極區沉降能量驅動的暴時環流更容易跨過磁赤道在中國中西部地區形成沉降流,O/N2上升而非下降導致電子密度保持不變或者下降幅度較低。另外,東部扇區較西部扇區更靠近北半球高緯能量沉降區使得其更易受到中性成分擾動O/N2降低的影響,從而導致電子密度出現長時間的大幅度下降。該項研究揭示了某個扇區同緯度的電離層暴時經度差異可能源自于半球之間的電離層-磁層能量耦合差異,也為進一步厘清東亞地區東西部電離層暴時響應差異的機制提供了一條研究思路。 

4 真實地磁場(左)和偏心偶極場(右)下的TIEGCM模擬結果O/N2&UV

  研究成果發表于JGR-Space Physics。(Zhao B Q*, Yang C J, Cai Y H, Jin Y Y, Liang Y, Ding F, Yue X N, Wan W X. East‐west difference in the ionospheric response of the March 1989 great magnetic storm throughout East Asian region[J] . Journal of Geophysical Research: Space Physics. DOI: 10.1029/2019JA027108)(原文鏈接

 
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