子午工程成果报道篇|抵御太阳耀斑的影响—地球的“自卫”

太阳耀斑如何跨越亿万千米作用于地球？通过什么样的方式对地球产生影响？它又会在地球的不同区域产生什么样的影响？这些都是空间科学领域一直关注和探索的问题。

空间环境地基综合监测网（子午工程二期）建设团队成员—山东大学空间科学研究院刘晶教授团队利用子午工程观测数据、全球卫星导航系统、欧洲非相干散射雷达网、覆盖南北极区的超级双子极光雷达网、电离层卫星和月球轨道卫星等的观测数据对2017年9月6日发生的X9.3级强耀斑事件展开系统研究。将这些数据联合分析，可获得日侧太阳风-磁层相互作用、全球磁层-极区电离层大尺度对流、沿磁力线的场向电流和全球电离层电子密度等多参量、多区域的对应参数分布。同时，结合大型数值模式：高时空分辨率磁层-电离层-热层理论模型（LTR）的数值模拟，再现了观测到的由耀斑触发的磁层-电离层耦合系统的变化，首次揭示了太阳耀斑对磁层的影响。

图1 太阳耀斑爆发示意图

太阳耀斑是一种剧烈的太阳爆发现象。耀斑在短短一二十分钟内，可释放出几十亿颗百万吨级氢弹爆炸相当的能量，耀斑释放的能量作用于地球，使地球电离层产生突然扰动现象，影响高频无线电通信质量甚至使通信中断。磁层位于电离层之上几千至几万公里高度的区域，因太阳风粒子无法穿透地球磁层而直接进入地球空间，故一般将磁层视为地球抵御太阳风粒子“攻击”的铠甲。那么，以增强电磁辐射为主要特征的耀斑过程能否引起磁层区域的扰动呢？

图2  磁层-电离层-热层理论理论模型（LTR）

模拟的磁层赤道平面对流速度

研究发现，耀斑所产生的电离层效应通过电动力学耦合扩展，足以影响包含磁层在内的整个地球空间，而不仅局限于先前认为的地球高层大气区域。这是因为当耀斑发生时，突然增强的太阳辐射会引起电离层电导率迅速增加，从而使太阳风冲破地球日侧铠甲进入地球空间变得更加困难。从而大大减弱了太阳风-磁层-电离层间的能量耦合效率，也减少了太阳风和磁层向地球高空大气注入的能量；此外，极区电离层电导率梯度的剧变会影响磁层等离子体的对流过程，来减弱极区电离层电场，并调制极区电离层高能粒子的沉降过程。

图3  北极上空俯瞰耀斑前和耀斑中的电子总含量（TEC）的时空分布

我国子午工程的电子总含量以及极区高频雷达观测数据资料在这项科学研究中发挥了重要的支撑作用，为全球电离层、磁层响应耀斑提供了关键证据。该研究证实耀斑所产生的电离层效应可通过电动力学耦合扩展并影响到包括广袤磁层在内的整个地球空间区域。这是科研团队首次揭示耀斑对磁层的显著影响，且该影响能通过电动力学过程反馈至电离层。该发现有望改进现有的太阳风-磁层-电离层耦合模型，为预测整个地球空间响应太阳瞬时辐射变化奠定了理论基础。

文章链接：

1.

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01203-5?utm_source=other&utm_medium=other&utm_content=null

2. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2020JA028569