熊超教授：地磁暴期间夜间低纬电离层和赤道等离子体不规则体| SANA佳文速递

标题：地磁暴期间夜间低纬电离层和赤道等离子体不规则体

作者：万欣，熊超，高顺祖，黄福庆，刘裔文，阿尔察，尹凡，蔡红涛

主题词：地磁暴；低纬电离层暴；电子密度总含量；电离层不规则体；GNSS

（图片来自作者）

The nighttime ionospheric response and occurrence of equatorial plasma irregularities during geomagnetic storms: a case studyXin Wan, Chao Xiong* , Shunzu Gao, Fuqing Huang, Yiwen Liu, Ercha Aa, Fan Yin and Hongtao Cai

Satellite Navigation (2021) 2: 23

引用文章:

Wan, X., Xiong, C., Gao, S. Z. et al. The nighttime ionospheric response and occurrence of equatorial plasma irregularities during geomagnetic storms: a case study. Satell Navig 2, 23 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-021-00055-x

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Editorial Summary

Nighttime equatorial ionospheric irregularities during two abnormal geomagnetic storms

At low-latitude regions, long-lasting daytime ionospheric enhancements occasionally occurred during geomagnetic storms. Although the detailed mechanisms remain unknown, this abnormal daytime ionospheric response would potentially affect, however, the nighttime equatorial plasma irregularities which can severely impact the trans-ionospheric radio wave signals and pose threats to the satellite navigation. Ground-based GNSS receivers and Swarm constellation derived datasets are analyzed during two geomagnetic storms that occurred on 7-8 September 2017 and 25-26 August 2018. 

It is found that the nighttime Equatorial Plasma Irregularities (EPIs) tend to occur/ dismiss in the regions where the daytime ionospheric positive/ negative occurs. Authors suggested that the duskside ionospheric response could be affected by the daytime ionospheric plasma density/ TEC variations which further modulates the nighttime ionospheric plasma gradients. As a result, the growth rate of the post-sunset EPIs will been hanced or inhibited. The study exposed that unusual daytime ionospheric behaviors plays a role in the appearance of nighttime small-scale ionospheric irregularities.

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本文亮点

1. 分析了夜间电离层在特殊地磁暴事件期间的整体表现。

2. 探究和讨论了日间和夜间电离层整体表现及其对赤道电离层不规则体的影响。

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内容简介

在地磁暴的恢复相期间，受扰动风发电机电场影响，低纬电离层电子密度一般将会减少，呈现电离层负暴。而近期学界的系列工作发现在一些地磁暴的恢复相期间，低纬电离层存在异常的日间持续性的正相暴（大尺度电子密度增强），对于这些特殊的地磁暴事件，夜侧背景电离层及小尺度电离层不规则体是否有特殊表现呢？

本文以2017年9月7日-8日和2018年8月25日-26日的两次特殊地磁暴事件（均出现异常的恢复相期间亚洲扇区的日间电离层正暴）为切入点，综合探究了低纬电离层在日间和夜间的暴时响应，并以此为背景考察夜间电离层不规则体的发生特征。

对2017年9月7日-8日的地磁暴恢复相而言，美洲扇区电离层在日间与夜间均呈负暴，在亚洲扇区，日间电离层呈显著正暴而夜间电离层则呈弱正暴。对2018年8月25日-26日的地磁暴恢复相而言，美洲扇区的北半球出现明显电离层负暴，而在其他区域则为显著正暴，因此美洲扇区的电离层暴时响应具有半球不对称性；而夜间低纬电离层普遍呈现较弱（相比于日间）的正暴。

对电离层不规则体而言，其纬度跨度在两次地磁暴的主相期间均出现显著扩展，然而其在两次磁暴的恢复相期间表现则不尽相同。对2017年9月地磁暴的恢复相，电离层不规则体在亚洲扇区有所增强而在美洲扇区则被抑制；对2018年8月地磁暴的恢复相，电离层不规则体在大多数经度区域均被显著抑制。

综合对比日间与夜间暴时电离层的大尺度响应和夜间电离层中小尺度电离层不规则体的发生特征，本文认为午后及黄昏侧的电离层对磁暴的响应会影响夜间不规则体的形成与发展，同时，电离层南北半球的不对称性将会抑制不规则体的形成。

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           图文导读 

I.地磁暴概览

两次地磁暴均由日冕物质抛射引起，不同的是2017年9月磁暴事件的太阳风在经历了两次突然加速，行星际磁场在期间持续震荡，而2018年8月磁暴事件期间的太阳风速相对缓慢增加，而行星际磁场扰动则较为稳定。说明两个磁暴期间的太阳风-磁层-电离层耦合过程可能具有显著差异。以环电流指数SYM-H考察磁暴相位，2017年9月磁暴具有两次磁暴急始，第一次主相短暂的发生在9月7日至8日的午夜，SYM-H达到最小，而后进入磁暴恢复相，在9月8日12:00 UTC发生第二次主相，并在之后的三天时间内SYM-H恢复至平静水平；2018年8月地磁暴的主相持续时间较长，在8月26日07:00UTC附件SYM-H指数达到最小，而后进入磁暴恢复相。

图 1 两次地磁暴期间的太阳风和地磁指数，（a）2017年9月6日至11日，（b）2018年8月24日至29日

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II.TEC的时域演化

为展示磁暴期间电离层整体的响应特征，磁平静期的TEC被设置为参考，将主要展示磁暴期间的扰动TEC（∆TEC）变化。∆TEC为正则表明电离层整体处于正暴，反之则为负暴。对于2018年8月的磁暴事件，日间低纬电离层在东半球主要呈现正暴，而在夜间，美洲经度带出现明显电离层负暴，而在东亚区域为弱正暴。对2018年8月25日-26日的地磁暴恢复相而言，美洲扇区的北半球出现明显电离层负暴，而在其他区域则为显著正暴，因此美洲扇区的电离层暴时响应具有半球不对称性；而夜间低纬电离层普遍呈现较弱（相比于日间）的正暴。

      图 2 南北经圈电离层TEC扰动（∆TEC）在两次地磁暴期间的时域演化演化，（a和c）北半球磁纬10°~20° N，（b和d）南半球半球磁纬10°~20° S，（a和b）2017年9月6日至11日，（c和d）2018年8月24日至29日。虚线为当地正午地方时。

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III.赤道电离层不规则体在磁暴期间的时空分布

对Swarm星座的原位电子密度数据进行检测可以提取处于卫星轨道上的电离层不规则体事件。相比磁暴发生前，两次磁暴的主相期间均出现明显的不规则体事件数量增多，并且不规则体的子午向分布显著展宽。考量不规则体事件的经度分布，2017年9月磁暴恢复相期间不规则体在东亚-太平洋区域出现数量较为客观，而在美洲-非洲扇区则出现不规则体分布的真空区域，说明不规则体在此区域被显著抑制。对2018年8月磁暴恢复相而言，不规则体则几乎在所有经度带均发生较少，说明其不规则体的生长在全球尺度上均被抑制。

图 3 Swarm原位数据提取的赤道电离层不规则体的分布。（a和c）经度和世界时分布，（b和d）地磁纬度和世界时分布。红绿蓝分别代表由SwarmA，B，C卫星提取的不规则体事件。

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IV.地基单站接收机北斗GEO卫星TEC

在2017年9月地磁暴期间，日间电离层正暴贯穿整个主相和恢复相，只不过在恢复相期间正暴幅值较小。在2018年8月地磁暴期间，显著的日间正暴仅发生在磁暴主相，而在恢复相期间为负暴，而在夜侧电离层在主相为正暴而在恢复相不明显磁暴响应。

图 4 位于深圳的GNSS接收机提供的北斗GEO卫星TEC时域变化，（a）2017年9月6日至11日，（b）2018年8月24日至29日。从上至下的四个子图为北斗GEOC01、C02、C03和C04卫星，阴影部分代表当地夜间。

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V.地基单站接收机北斗GEO卫星观测的不规则体事件

在深圳上空，电离层不规则体在2017年9月恢复相磁暴期间均有出现，而未在2018年8月地磁暴期间发现电离层不规则体。对比图4可以发现，对2018年8月磁暴而言，尽管夜间电离层整体并未出现明显负暴效应，电离层不规则体却依旧呈抑制状态，一方面这可能与日间出现的负暴有关，另一方面图2中可以看出在深圳所在经度上，电离层出现明显的南北半球的不对称性，此条件将对不规则体的形成与发展施加额外效果。
图 5 与图4上格式一致，但显示TEC的短时扰动，扰动量的起伏可以看作是电离层不规则体的示踪。

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作者简介

 熊超 教授

本文通讯作者 武汉大学▍通讯作者简介

熊超，理学博士，教授，博士研究生导师，现任武汉大学电子信息学院空间物理系副主任。长期从事电离层物理，磁层-电离层-热层耦合，空间天气效应，星载仪器数据标定等研究，发表SCI论文70余篇。曾获德国洪堡基金会（AvH）博士后资助、COSPAR“杰出青年科学家论文奖（2012年）”和EGU“杰出青年科学家奖（2019年）等，为中国空间科学学会空间物理学专业委员会委员，国际参考电离层（IRI）工作组成员，中欧航天合作联委会电磁卫星“张衡一号”联合工作组成员。

撰稿：本文作者

编辑：星航

校对：万欣

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