4月23至24日超强地磁暴连锁反应之电离层暴

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4月24日克拉玛依看到的极光

（来源：微博@Jeff的星空之旅）

北京时间2023年4月23至24日，地磁发生剧烈扰动，地磁Kp指数达到大地磁暴水平（Kp=7，8），Dst指数最低达到了-209nT。如此强烈的地磁扰动，会对整个近地空间环境造成怎样的影响呢？

✦地磁暴——近地空间环境变化的触发器

地磁暴在太阳风暴中占有“举足轻重”的地位，通常它的强弱被作为评判太阳风暴等级的一个重要标准。并且，它还是近地空间环境变化的触发器，其作用就像是多米诺骨牌中的头牌一样，一旦发生就会导致电离层、中高层大气等一系列近地环境的强烈变化。下图给出了地磁暴“触发”的一系列连锁反应。

这些近地环境的扰动变化，会给卫星、通信、导航定位、雷达……甚至地面系统等各种应用系统带来不同程度的影响，有时能造成不容忽视的干扰和破坏，从而最终影响我们社会和生活的方方面面。这有点像多米诺骨牌。

图：地磁暴的多米诺骨牌效应

• ✦电离层暴

电离层暴正是地磁暴“触发”连锁反应中的重要一环，它是指伴随着磁暴的发生，在全球范围内电离层各层都相继出现的剧烈变化。具体表现为电子密度、F2层临界频率（foF2）和总电子含量（TEC）等电离层参量对平静日均值的显著偏离。当偏离为正时，我们称为电离层正暴；偏离为负时，我们称为电离层负暴。

在发生电离层暴时，电离层的正常结构，特别是它的上部受到严重的破坏，呈现混乱状态。E层和F层的电子密度变化很大，此时靠E层和F层作为反射层的短波无线电通信会受到严重影响。特别是电离层负暴期间，短波通信的可用频段会变窄，如果所用频率超过此时的最大可用频率，电波信号将穿透电离层飞向宇宙空间而不会折回，导致通信广播中断。此外电离层的扰动变化会导致电波反射高度发生变化，将直接造成电波折回的落地点偏离预定区域，从而使预定接收区域的信号减弱甚至中断。

电离层暴也是影响GNSS导航定位系统的重要因素。电离层折射误差是导航定位中的重要误差项，它与电离层TEC密切相关，因此，通常可以利用电离层TEC的模型，修正卫星定位中的折射误差，从而提高定位精度。当发生电离层暴时，特别是发生电离层正暴时，电离层TEC剧烈变化，模型无法有效降低折射误差，定位精度会大大下降。例如2003年10月下旬至11月上旬的“万圣节” 太阳风暴中，美国的广域增强系统（WAAS）受到严重影响，WAAS系统格网点电离层垂直误差（GIVE）超过了45米。

图：2003年10月29日22:00UT，WAAS格网点误差

✦4月23-24日大地磁暴事件伴随电离层暴

此次大地磁暴事件中，地磁强扰动引发电离层环境的响应，在延迟几个小时后如期而至。从4月24日凌晨开始，中国科学院空间环境监测网所属的11个电离层台站就监测到电离层的剧烈扰动，扰动变化持续了24日一整天，25日上午电离层环境逐渐恢复正常。

纬度较高的漠河和北京站监测到的电离层F2层临界频率（foF2）发生显著的负暴响应，即临界频率下降至远低于背景平均水平。特别是在24日白天，漠河、北京的foF2最高值甚至低于夜间背景值的最低值，这会对我国部分地区的短波通讯造成严重影响。同时，漠河、北京和张掖站监测到的电离层总电子含量（TEC）参量同样有明显的下降，大大低于背景水平。

图：4月23-24日大磁暴期间，漠河（mhgr）、北京（bigr）观测到的电离层foF2变化和漠河（mhgr）、北京（bigr）和张掖（ZY07）站观测到的电离层TEC变化，观测值（蓝线），背景值（绿线或紫线）

与此同时，纬度较低的我国南部地区也发生电离层扰动，但响应情况略有不同。从福州、厦门、广州、海南富克和昆明等南部站的电离层TEC观测情况来看，南部站的扰动变化开始时间延迟于北部站，但整体同样显示出电离层负暴特征，即电离层foF2和TEC参量明显低于背景水平。低纬电离层扰动的恢复更快，25日南部站已恢复背景平均水平。

图：4月23-24日大磁暴期间，武汉（whgn）和三亚（syge）观测到的电离层foF2变化和武汉（whhp）、福州（FZ01）、厦门（XM02）、广州（GZ03）、南宁（NN04）、海南富克（HN05）和昆明（KM06）站观测到的电离层TEC变化，观测值（蓝线），背景值（绿线或紫线）

随着时间走向太阳活动高年，太阳活动和地磁越来越活跃，电离层暴事件也将逐渐增多。强电离层暴时的剧烈扰动会对通过电离层的无线电波产生显著效应，影响电波相关的各类应用，特别是短波通信、导航定位等应用系统，需要关注电离层环境的变化，及时应对。

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