地磁平静期中低纬电离层异常变化研究

    磁暴是一种非常剧烈的空间天气事件，磁暴期间电离层会呈现显著变化。但最近发现，有些电离层异常变化与磁暴相关性不高，即在地磁平静期间，电离层也可以呈现显著的异常变化。

    为了解磁暴对电离层的影响，获得准确的电离层变化参考，本实验室钟嘉豪副教授与南京航空航天大学蒯家伟博士等人选取2019年12月一段地磁平静期（Kpmax = 1.7），该时间段内太阳辐射指数约在67-70之间，行星际磁场的变化也较少，是最近一个太阳活动周内地磁最为平静的一个时期。

    基于子午工程结合其他多源观测数据，我们发现在磁平静期无论是亚洲-澳大利亚扇区还是美洲扇区，电离层总电子含量（TEC）均出现多次的显著增加（图1），在亚洲-澳大利亚扇区还出现TEC下降的特征，电离层异常变化还有明显的高度依赖性（图2）。另外，我们重点关注中纬度电离层带状结构的变化，如图3呈现的美洲扇区变化情况。发现在该长时间磁平静期间，在冬季半球（北半球）出现显著的中纬度带状结构，且该结构在夜间和日间均连续出现，打破了此前我们研究认为中纬度带状结构只出现在夜间的认识。我们提出这种在日间显著的中纬度带状结构与长时间磁平静期等离子体层的填充饱和有关，即在长时间磁平静期间，电离层和等离子体层之间可出现更紧密的相互耦合作用。

    该研究工作说明地磁平静期电离层并不平静，进一步研究表明此次中低纬电离层异常变化与低纬电场的扰动并不完全呈现同步变化，引发我们对扰动能量来源的推测。同时，中纬电离层和等离子体层间的耦合机制在不同的条件下呈现不同的变化。诸多未解的电离层过程仍待我们深入研究了解。

图1. 2019年11月30日至12月8日地磁平静期亚洲-澳大利亚扇区（110°经度）的（a）总电子含量TEC、（b）相对TEC、（c）用于表征电离层电场强度的∆H、（d）SYM-H和Bz的变化情况。可见磁平静期间电离层仍可出现显著扰动。

图2.  2019年12月3-6日地磁平静期亚洲-澳大利亚扇区五个经度区域的Swarm-B电子密度Ne、MIT地基TEC、Swarm-B上方TEC以及相应的星下点轨迹。图中第二和三列的对比反映出TEC的增长主要体现在卫星高度以下的电离层区域。

图3. 2019年11月30日至12月8日地磁平静期美洲扇区（70°W经度）的（a）总电子含量TEC、（b）相对TEC、（c）用于表征电离层电场强度的∆H、（d）SYM-H和Bz的变化情况。

参考文献：

1. H.U. Keller, C. Arpigny, C. Barbieri, R.M. Bonnet, S. Cazes, M. Coradini, C.B. Cosmovici, W.A. Delamere, W.F. Huebner, D.W. Hughes, C. Jamar, D. Malaise, H.J. Reitsema, H.U. Schmidt, W.K.H. Schmidt, P. Seige, F.L. Whipple, K. Wilhelm, Nature 321, 320 (1986)