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电暴离层 作者：张瑞龙 李文博 刘立波/地球与行星物理实验室 电离层是什么呢？ 其实单从字面就很容易理解，它是地球大气中被“电离”的一个区域，作为日地空间环境的关键区域，电离层是人类空间活动和大多数空间飞行器运行的主要区域，也是无线电波的传播媒介。当空间技术系统为主导的空间时代到来后，人们对认识电离层的重要性和迫切性不仅没有减退，反而得到了极大的增强。 地球大气受到太阳辐射电离而形成的电离层，始终受到太阳活动的影响。表面上，太阳显得气定神闲，实际上，太阳表面暗流涌动，在太阳大气中，经常发生“爆炸”现象，这就形成太阳风暴，并向广袤的行星际空间中喷射大量的高能带电粒子（即日冕物质抛射）。  图 1 美国宇航局SDO卫星在2017年09月06日12时10分17秒捕捉到的太阳耀斑爆发  图 2 日冕物质抛射图 图 3 太阳风与地磁场相互作用 太阳高能粒子将以超音速的速度冲向地球，但地球在磁场的保护下，只有约2%-8%的太阳风能量能进入到近地空间，当太阳风能量持续进入近地空间后，地磁活动变强，此时就会发生磁暴。同时，耦合进入地球高纬地区的能量驱动会使整个电离层系统都发生剧烈的扰动。电离层暴即表征磁暴的情况下，电离层会受扰动而出现极端状态，导致电离层暴期间的电子密度会出现剧烈扰动，从而使全球卫星定位系统(GPS)的定位误差上升至几十米。如果你靠GPS定位系统来为飞机导航，那么偏离跑道几十米将意味着什么？  图 4 太阳风能量注入示意图 电离层暴期间剧烈变化的电子密度可分为两种不同的情况：① 电离层正暴（positive storms），表示相对平静时期的电子密度增加，如左图所示；② 电离层负暴（negative storms），表示相对平静时期的电子密度减少，如右图所示。  图 5 电离层正暴与电离层负暴示意图 电离层电子密度之所以会发生这样的改变是因为电离层暴期间风场、电场、大气成分等共同作用的结果。 耦合进入地球高纬地区的能量将会加热高层大气，引起大气膨胀，从而向中低纬地区驱动，使风场受到扰动进而使风场的结构发生变化。由图 6 可以看出，高纬时扰动风场是在赤道地区的，由于受到地球自转的影响将逐渐西偏，扰动风场将携带带电粒子沿着磁力线运动，这一运动将直接改变电离层电子密度。  图 6 电离层暴期间风场扰动图除了对带电粒子的直接作用之外，大气膨胀导致分子气体上涌，在电离层高度的分子气体的比重增加，使扰动风场将比重增加的分子气体输送到中低纬地区。分子气体增加将会加速带电粒子与分子气体的复合，所以导致电离层电子浓度减小，引起电离层的负暴效应。  图 7 在2012年电离层暴期间，分子气体到达中低纬度地区示意图（中图蓝色表示分子气体增加），电离层电子总含量TEC将减小。 秘鲁Huancay地磁台站在1963年12月03日记录的地磁场变化与美国宇航局IMP-1卫星在距地球19万公里之遥观测太阳风磁场变化呈现出惊人的相似，这揭示了太阳风磁场和地磁场的直接联系。  图 8 秘鲁Huancay地磁台站记录的赤道电集流和IMP-1卫星观测的太阳风磁场 除磁场之外，太阳风电场也会与电离层电场发生直接联系，如秘鲁Jicamarca非相干散射雷达在2004年11月09-10日探测的电离层电场变化与距离地球150万公里的ACE卫星观测到的太阳风电场的变化形态也十分相似。  图 9 ACE卫星探测的太阳风电场与Jicamarca非相干散射雷达观测的电离层电场 在电离层暴期间，变化的电场将会改变电离层中电子的运动，从而影响电子密度的结构与形态。在2003年11月超级磁暴期间，美国国防气象卫星DMSP探测到在距地球840km的高度时离子浓度在低纬地区显著增加，并沿磁赤道呈现出明显的双峰结构。这些变化正是由于太阳风电场改变电离层电场所引起的。  图 10 美国国防气象DMSP卫星探测出在距地球840km高度时离子浓度的纬度变化 现在我们已经知道了导致电离层暴形成的一些影响因素。但电离层暴这种受风场、电场、大气成分共同作用而产生的电离层扰动又随着季节、太阳活动、经纬度、高度等因素变化而变化，所以还有很多有关电离层暴的秘密被封在黑匣子中没有被世人所发现。怎么样？有兴趣么？感受到电离层暴的神奇了么？喜欢上空间物理了么？那还等什么！加入空间物理的研究吧！ 美术编辑：赵亚楠 校 对：黄志伟 |
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