航天器自阴影算法的比较分析

东太平洋磁暴恢复期电离层异常活动的多源观测分析表明，地面GPS和SWARM/COSMIC-2卫星数据揭示离子ospheric irregularities持续14小时以上，近磁赤道区SWARM卫星检测到等离子体泡及准周期结构，COSMIC-2卫星在低纬度 crossings捕获到增强东向电场与种子扰动共同作用机制。

　　

尚世平|建奎石|毛生和|郑伟成|王国军|郑王

中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气国家重点实验室，北京100190，中国

摘要

利用多种地面/空间观测数据，分析了2023年4月24日大磁暴恢复阶段东太平洋地区电离层不规则现象的异常响应。地面GPS观测显示，电离层不规则现象从夜间持续到白天，持续时间超过十小时，最长可达14小时，尤其是在磁赤道附近。SWARM卫星在日落时分以及从西美洲穿越低纬度和赤道地区到东太平洋时，检测到了显著的等离子体泡/扰动结构。COSMIC-2卫星（C2E1-C2E5）在从东太平洋穿越到西美洲的低纬度区域（-180°～-60°）时，检测到了强烈的电离层泡及其准周期性结构，这种现象从日落到白天持续存在，持续时间长达10-14小时。增强的向东电场和初始扰动可能是24日磁暴恢复阶段东太平洋地区电离层不规则现象发生的主要因素。

引言

夜间赤道电离层F区受到多种不稳定过程的影响，这些过程会导致电子密度的不规则分布，称为赤道扩散F（ESF）。在底部F区的广义瑞利-泰勒（R-T）不稳定作用下，密度亏损区域向上发展并延伸到顶部F区，形成赤道等离子体泡（EPBs）（Woodman和LaHoz，1976）。与EPBs相关的密度不规则现象存在于顶部和底部F区。已经开发出多种技术来检测和研究ESF/EPBs，其不规则尺度从几十厘米到几百公里不等。越来越多的证据表明，ESF/EPBs的出现和发展受到多种因素的影响，其中日落后的垂直等离子体漂移和初始扰动被认为是两个最重要的因素（Tsunoda，2015；Huang，2017）。与垂直等离子体漂移相比，对初始扰动（包括大气重力波、大尺度波结构和碰撞剪切不稳定性）的理解相对有限，它们在ESF/EPBs生成和发展中的作用仍不清楚（Tsunoda等人，2015；Choi等人，2017）。

通过数十年的广泛数据统计分析和研究，我们对ESF/EPBs的发生气候特征有了大致的了解。然而，理解和预测ESF/EPBs的日变化和短期变化仍然具有挑战性（Abdu，2019）。除了从低层大气向上传播的大气波（如重力波）外，磁暴期间产生的各种扰动（如即时穿透电场（PPEF）、扰动发电机电场（DDEF）、磁纬向/跨赤道中性风等）也会显著影响ESF/EPBs的短期变化。

在磁暴期间，PPEF和DDEF根据不同的地方时区和磁暴阶段的不同极性，在促进或抑制ESF/EPB的发展中起着重要作用。PPEF主要由IMF Bz的快速波动引起，导致磁层对流的突然变化和夜间屏蔽层的纬向运动。其寿命从几分钟到几小时不等。白天的对流增强（减弱）会导致向上的（向下的）漂移，而在夜间则相反，其振幅在日出和日落前达到最大（Fejer和Scherliess，1997；Fejer，2011）。在黄昏区域，向东的PPEF可以叠加在PRE（反转前增强）电场上，导致等离子体的大幅度向上漂移，这有利于瑞利-泰勒不稳定性的增长（Abdu，2012；Huang，2011；Zakharenkova等人，2019）。DDEF是由中低纬度地区增强并向西转向的赤道中性风产生的。它的变化缓慢，持续时间从几小时到几天不等，其极性与宁静发电机电场相反。DDEF通常在磁暴后几小时内变得占主导地位，尤其是在恢复阶段（Fejer，2002；Maruyama等人，2005；Scherliess和Fejer，1997）。DDEF在白天和黄昏时向西，在夜间和黎明时向东。这可以在午夜前抑制EPBs的形成，但有时会在午夜后促进EPBs的发生（Carter等人，2016；Yeh等人，2001）。

除了电动力学效应外，纬向/跨赤道中性风场还会增加场线的综合导电性，这在一定程度上可能抑制赤道瑞利-泰勒不稳定性的增长和EPBs的发展（Abdu，2019；Sultan，1996）。磁暴期间的不同驱动因素及其对电离层不规则现象的影响尚不完全清楚（Abdu，2019；Li等人，2021；Aa等人，2023）。有必要研究不同经度区域磁暴期间ESF/EPB的局部特征和来源，以加深我们对电离层不规则现象短期行为和物理过程的理解。

自第25太阳周期开始以来，迄今为止最强的磁暴发生在2023年4月23日至25日。图1显示了磁暴期间行星际参数和地磁活动指数的变化。这场磁暴复杂，活动先增加然后减少，之后再次增加。为了方便起见，这里将活动的两个峰值描述为磁暴的第一和第二主要阶段，本文重点关注第二次活动高峰。从图1可以看出，4月23日07UT时，随着行星际高密度结构的出现，磁暴的初始阶段开始。随后，行星际磁场（IMF）B_Z转向南方，AE活动增加，磁暴的第一主要阶段开始，Dst开始下降。16UT时，AE超过1000nT，Dst降至-50 nT，并在20UT时降至-165nT。然后B_Z转向北方，AE减弱，Dst有所恢复。4月24日01UT时，B_Z再次转向南方并增强，AE增加，磁暴的第二主要阶段开始，Dst迅速下降，在05UT时达到最低值-212nT。随后，随着B_Z逐渐向北，AE活动逐渐减弱，Dst逐渐恢复。25日10UT时，Dst恢复到-50nT，并在接下来的几天内保持在这一水平。在此期间，Kp从1⁺增加到最大值8⁺，然后在25日逐渐恢复到0⁺。在接下来的几天里，Kp保持在3左右。

这次强磁暴对全球低纬度地区不同经度区域的ESF/EPBs活动产生了显著不同的影响。大多数经度区域的电离层不规则现象活动受到不同程度的抑制，而在少数经度区域则显著增强。特别是在磁暴的恢复阶段，东太平洋地区的电离层不规则现象活动显著增加，持续时间从夜间持续到白天超过10小时，最长超过14小时。这种现象极为罕见，在之前的观测中很少见。

在这项研究中，我们将利用地面GPS观测数据、SWARM和COSMIC-2卫星观测数据来分析东太平洋地区电离层不规则现象的异常响应。需要注意的是，先前的研究表明，EPB/ESF通常在午夜前发生（Kelley，2009），但在太阳活动极小期，也可能主要在6月至夏至后的午夜后发生（Balan等人，2018）。然而，在这次磁暴中，EPB/ESF从夜间持续到次日上午，甚至到中午，持续时间超过14小时，导致电离层响应被描述为异常。

数据和方法

东太平洋地区的地面GPS观测主要来自南半球的大洋洲一些岛屿、北半球的夏威夷群岛以及美洲西海岸，特别是拉丁美洲的低纬度地区。图2显示了这些GPS站的位置。电离层不规则现象可以通过计算TEC（电离层总电子含量）5分钟间隔内变化率的标准差（ROTI指数）来反映。

地面GPS观测

图3显示了2024年4月24日磁暴恢复阶段东太平洋地区电离层不规则现象的活动情况。在计算ROTI指数时，卫星的高度限制为25°，TEC波动的阈值根据先前的研究定义为0.3（Shang等人，2021）。表1给出了这些站的位置坐标（地理纬度、地理经度和地磁纬度）。前四个面板显示了

总结

利用多种地面/空间观测数据，分析了2023年4月24日大磁暴恢复阶段东太平洋地区的电离层不规则现象。主要结果如下： 地面GPS观测显示，电离层不规则现象从夜间持续到白天，持续时间超过十小时，最长可达14小时，尤其是在东太平洋的磁赤道附近。

SWARM

未引用的参考文献

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金的支持。行星际和地磁数据来自NASA空间科学数据协调档案（NSSDCA）。地面GPS数据来自Scripps轨道和永久阵列中心（SOPAC），Swarm数据来自ESA地球观测任务（ESA EO），COSMIC-2数据来自NCAR COSMIC数据分析和存档中心（NCAR CDAAC）。