太阳耀斑触发电离层离子上行现象研究

2022-08-10 21:05:23  点击:

近日,山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队成员利用热层-电离层-电动力学耦合模型(TIEGCM)结合非相干散射雷达(MHISR),探究了耀斑期间地球与火星电离层出现的离子上行现象,揭示了产生该现象的主控因素是增强的EUV辐射引发向上的离子扩散。相关研究成果发表于国际权威期刊JGR: Space Physics,论文第一作者为极区电离层-磁层耦合课题组博士生刘宣青,通讯作者为刘晶教授。自2020年以来,该团队在国家自然科学基金与中国科学院战略性先导专项等项目的资助下,围绕太阳耀斑的地球空间效应研究取得重要研究进展,系列研究成果已在《Nature Physics》与《JGR: Space Physics》等期刊发表3篇SCI论文。

太阳耀斑如同太阳表面壮观华丽的烟火,耀斑发生伴随着突然增强的X射线(X-Ray)和极紫外线(EUV)辐射,经过日地空间到达地球,引起地球电离层温度和电子密度的迅速增加。电离层是位于地球上空约60-1000公里离化的高层大气,是日地空间能量耦合的关键环节。同时,电离层对卫星通信、导航、定位等有重要影响,因此深入研究耀斑期间的电离层响应具有重要的科学意义与应用价值。

前人研究发现:2017年9月6日X9.3耀斑能够引发火星与地球顶部电离层离子加速向上漂移,漂移速度出现了近两倍的激增,即离子“上行”现象。仿佛原本“平静”的电离层在耀斑的热烈“拥抱”下“心脏跳动”加速。但产生这一现象的机制尚不明确。

图1太阳耀斑触发电离层离子上行示意图。

该团队结合数值模拟与非相干散射雷达观测数据,揭示了耀斑发生后风场并不能在短时间内响应耀斑,电场产生了方向垂直向下的离子漂移速度,且风场和电场产生的垂直离子速度幅度远小于电离层离子上行的速度。双极扩散产生垂直向上的离子速度接近电离层离子上行速度,所以耀斑发生后主要由双极扩散驱动电离层离子上行。双极扩散的变化主要受等离子体密度梯度的影响,相比之下等离子体温度梯度的贡献较小。进一步分析表明EUV辐射引发电离层F层电子密度和温度的增加,改变压力梯度力进而驱动电离层离子上行,而X-ray辐射增加的电离层E层电子密度和温度对离子上行的贡献较小。

图2模拟在有耀斑和无耀斑情况下电子密度(Ne)、电子温度(Te)、离子温度(Ti)和垂直离子速度(Vo)的差值图。左侧为X-ray效应,右侧EUV效应。

参考文献:

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Liu Jing*, Wenbin Wang, Liying Qian, William Lotko, Alan G. Burns, Kevin Pham, Gang Lu, Stanley C. Solomon, Libo Liu, Weixing Wan, B. J. Anderson, Anthea Coster, and Frederick Wilder (2021), Solar flare effects in the Earth’s magnetosphere, Nature Physics, doi:10.1038/s41567-021-01203-5.http://dx.doi.org/10.1038/s41567-021-01203-5.

Liu, J.*, Qian, L., Maute, A., Wang, W., Richmond, A. D., Chen, J., et al. (2021). Electrodynamical Coupling of the Geospace System during Solar Flares. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2020JA028569. https://doi.org/10.1029/2020JA028569.

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