科研动态 | 空间中心科研人员在暴时中低纬度电离层多尺度响应及驱动机制研究方面取得进展

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地磁暴期间，强烈的能量输入会通过复杂的磁层-电离层-热层耦合过程，引发全球/区域电离层发生显著扰动，使得电离层电子密度、总电子含量等关键参数明显偏离磁静日水平，形成电离层暴。受到暴时动力学和电动力学过程的共同调制作用，电离层暴具有显著的区域差异特征，其在不同磁暴阶段、不同经度扇区/纬度区域的响应可存在明显差异。值得注意的是，磁暴对电离层的影响并不局限于大尺度电子密度变化，还可进一步产生中小尺度的等离子体密度梯度和不规则体结构。上述电离层扰动可显著改变电波传播环境，对卫星通信、导航以及航空航天活动产生重要影响。因此，揭示磁暴期间电离层大尺度相位变化和中小尺度不规则体的时空演化规律，分析其驱动机制，是电离层暴研究的重要内容之一。

近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室罗冰显研究员团队的博士生罗心越（第一作者）、阿尔察研究员（通讯作者）等人，综合利用中国子午工程观测数据及天地基多源互补数据集，针对2024年10月和2025年4月的两次典型强磁暴事件期间，中低纬电离层的多尺度响应特征及其驱动机制开展系统研究。研究发现：①2024年10月强磁暴期间，北美洲扇区受到暴时密度增强SED与中纬度槽的协同演化影响呈现出显著的经度差异，且受到亚极光极化流的影响，该SED结构表现出西向漂移和西北向延伸特征，与其极向侧发展的中纬度槽共同形成强烈的密度梯度，而欧洲经度扇区受到“高纬度极光亚暴-中纬度槽-低纬度赤道电离异常区扩张”的影响呈现出“正-负-正”的三明治式纬度差异（如图1）；②2025年4月强磁暴期间，亚洲扇区低纬度电离层呈现出与传统双阶段演化不同的“先负相后正相”暴时响应，同时在观测区域内捕捉到可持续观测10小时、中纬度延伸至30°MLAT的赤道等离子体泡（EPB）结构（如图2），其负相的形成与前期中等磁暴建立的日间西向扰动发电机电场对等离子体垂直向上漂移的抑制作用相关，而强磁暴爆发后，增强的磁层对流产生东向瞬时穿透电场迅速影响中低纬度电离层，与日落后反转前增强现象叠加，一方面促进RT不稳定性增长并形成暴时EPB结构，另一方面有利于低纬度正相暴的形成，随后进入强磁暴恢复相与行星际磁场转为北向，夜间东向过屏蔽电场与热层成分扰动区赤道侧的O/N2增强共同促进了恢复相低纬度正相暴的形成。上述研究有助于深入认识空间天气背景下电离层动力学及电动力学过程及其对中小尺度不规则体的调制作用，为空间天气监测和预警提供重要科学依据。

图1：2024年10月10日22:00 UT北半球极区视图下的差分总电子含量（dTEC 为磁暴期TEC与磁静日TEC参考值的差值）成图。磁静日参考值采用2024年10月5日至9日期间GNSS-TEC的平均值。

图2：（a-b）2025年4月16日15:30 UT和16:00 UT，中国及其周边区域的ROTI指数地图；（c-f）2025年4月16日15:00-19:00 UT时段，COSMIC-2卫星离子速度计观测的离子数密度成图，使用蓝色和绿色实线叠加4月15日和4月17日观测结果作为对比。

相关成果已分别发表于国际期刊Remote Sensing 及JGR: Space Physics。该研究工作获得国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等研究基金的支持。

相关论文信息：

Luo, X., Aa, E., Wang, X., Zhu, Y., Yue, X., Chen, Y., et al. (2026). Abnormal ionospheric storm phases and significant equatorial plasma bubbles over the Asian sector during the 16 April 2025 geomagnetic storm. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 131, e2026JA035306. https://doi.org/10.1029/2026JA035306

Luo X, Aa E, Wang X, Luo B. Strong Longitudinal and Latitudinal Differences of Ionospheric Responses in North American and European Sectors During the 10–11 October 2024 Geomagnetic Storm. Remote Sensing. 2026; 18(2):256. https://doi.org/10.3390/rs18020256

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