研究太阳活动不同阶段中电离层总电子含量（TEC）变化与太阳和地磁因素的关联

电离层总电子含量（VTEC）与太阳及地磁活动的关系研究显示，F10.7指数和太阳黑子数（R）与VTEC的相关性最强，尤其在上升和下降期呈现约2天滞后，这与EUV辐射和电离层再复合过程相关。地磁指数（Kp、Ap、Dst）及太阳风参数的影响较弱且相位依赖，太阳风作用主要通过地磁活动间接体现。研究证实需考虑太阳周期相位及时间滞后效应以提升电离层模型预测精度。

　　

齐亚达特·哈桑（Ziyadat Hassan）|扎姆里·扎因纳尔·阿比丁（Zamri Zainal Abidin）|阿凡·阿德利·纳兹里（Affan Adly Nazri）|努尔赛泽拉·巴德里娜·巴哈林（Nursyazela Badrina Baharin）

马来西亚马拉亚大学（Universiti Malaya）理学院物理系天文与天体物理研究中心无线电宇宙学研究实验室，吉隆坡，50603

摘要

本研究考察了从第23到第25太阳活动周期中，电离层总电子含量（VTEC）对太阳和地磁因素变化的响应。虽然太阳辐射对VTEC的影响已得到充分认识，但关于这些关系及其时间延迟如何在不同太阳活动周期阶段以及不同强度周期中变化的全面理解仍然不足。通过使用中国科学研究院（CAS）的全球电离层地图（CASG）提供的全球VTEC数据，以及NASA的OMNI数据集中的太阳-地球物理指标（时间跨度为1998年至2025年），本研究量化了VTEC与以下参数之间的相关性和时间延迟关系：$F_{10.7}$$F_{10.7}$太阳通量、R太阳黑子数、Kp指数、Ap指数和Dst指数，以及太阳风特性。结果表明，尤其是$F_{10.7}$太阳通量和R太阳黑子数与VTEC之间的相关性最强且最稳定，这种相关性在太阳活动周期的上升和下降阶段尤为明显，其特征是约2天的时间延迟，这归因于热层氧气动力学和电离层复合过程。相比之下，地磁指数表现出较弱的相关性，并且这种相关性依赖于太阳活动周期的阶段；而太阳风参数与全球VTEC之间的直接相关性较弱，因为它们的影响主要通过地磁活动介导，并且具有显著的区域性和时间异质性。相位分辨分析进一步表明，在过渡阶段地磁活动起着更重要的作用，而在太阳活动周期的最大值和最小值时期则分别受极紫外（EUV）变化和非太阳因素的支配。这些发现强调了在电离层建模和预测工作中纳入太阳活动周期和时间延迟依赖性的必要性。

引言

电离层是地球高层大气（高度约为60至1000公里）的一个动态区域，对跨电离层的无线电信号传播起着关键作用。其自由电子密度的空间和时间变化特性（Dabas, 2000）直接影响卫星通信、全球导航卫星系统（GNSS）的定位精度以及射电天文学（例如Nazri等人，2025年）。总电子含量（TEC），定义为沿射线路径的电子总数（单位：TECU，$～116{\mathrm{电子}}^{-}$），通常是地面接收器和卫星之间的参数（Bust和Mitchell, 2008），是量化电离层变化的关键指标（Ciraolo和Spalla, 2002）。TEC测量对于校正GNSS应用中的电离层延迟（Wang等人，2013年）、模拟空间天气影响以及预测电离层扰动（如赤道等离子体泡（Khamdan等人，2021年）和中纬度异常）至关重要。

电离层TEC的波动主要由太阳活动通过极紫外（EUV）辐射和太阳风驱动（Parwani等人，2021年），同时也受到由太阳风-磁层相互作用引发的地磁活动的影响（La?tovi?ka, 1996年）。太阳EUV辐射使中性原子电离，增加电子产生（Liu等人，2011年），而地磁风暴通过电动力学过程重新分布等离子体（Immel和Mannucci, 2013年）。$F_{10.7}$指数（Qian和Mursula, 2025年）和太阳黑子数（R；Zossi等人，2025年）是太阳EUV输出的公认代理指标，并且与TEC在太阳活动周期内存在强相关性（Woldemariam和Gogie, 2024年）。相反，地磁指数（如Kp、Dst）通过风暴引起的热层加热（Yamazaki等人，2024年）和成分变化（Sahai等人，2011年）调节TEC，尽管这些相关性复杂（Klimenko等人，2017年）且具有区域异质性（Mukhtarov和Bojilova, 2025年）。

尽管取得了进展，但仍存在关键的研究空白。在讨论依赖于太阳活动周期阶段的响应时，先前的研究对于TEC与太阳/地磁驱动因素之间的相关性如何随太阳活动周期阶段（上升期、最大值期、下降期、最小值期）变化尚未达成共识。例如，虽然已经确定太阳EUV通量强烈电离电离层（Reid, 1976年），但频繁的日冕物质抛射（CMEs）和太阳耀斑会导致高Kp值和负Dst值，从而通过热层加热破坏EUV-TEC关系（Oljira, 2023年在特罗姆瑟的研究），以及Liu等人（2021年）所展示的等离子体在电离层之外的重新分布，导致TEC-EUV相关性减弱。另一方面，Jee等人（2014年）指出在太阳活动最小值期间EUV辐照度始终较低，但Borries等人（2024年）报告称在2005-2006年的太阳活动平静年份出现了偏离正常情况的现象，这可以通过Palmroth等人（2004年）提出的Joule加热机制来解释。此外，尽管在太阳活动最大值期间EUV占主导地位，但来自日冕洞的高速太阳风流在下降阶段的作用仍尚未得到充分探索（Verbanac等人，2011年）。

关于时间延迟动态，电离层对太阳/地磁强迫的响应时间量化不一致，即使有Chakraborty等人（2021年）尝试对其进行量化。虽然$F_{10.7}$显示出近乎即时的效应，但太阳黑子驱动和地磁响应的延迟在不同周期内的特征尚不明确（Liu等人，2006b）。大多数研究也仅关注单个太阳活动周期，而跨越多个周期的比较分析很少，Riley（2023年）也明确指出了这一点。我们通过量化第23至第25太阳活动周期中TEC与太阳/地磁参数之间的相位分辨相关性，并评估时间延迟依赖性来填补这些空白。本文的结构如下：第2节描述了使用的TEC、太阳和地磁数据集以及相关性和时间延迟方法。第3节展示了结果及相关物理现象。

部分摘录

CAS全球电离层地图数据

为了表征电离层，我们使用了由中国科学院（CAS；以下简称CASG地图；Li等人，2021年）制作的全球TEC地图。这些地图是基于GNSS数据生成的，通过结合双频伪距和载波相位观测（Afraimovich等人，2013年）提取电离层变量。数据进一步使用载波到码相位校正（CCL）技术进行了精细化处理（Mannucci等人，1998年）。垂直TEC（VTEC）是

电离层、太阳和地磁参数的时间变化

图1显示了1998年至2025年间VTEC值的长期变化。自然地，太阳活动最大值期间的VTEC水平较高，而在太阳活动最小值期间较低。这些趋势与已建立的太阳活动周期效应一致，即更高的电子吸收是由于太阳辐射和地磁活动增强导致的电离层电离增加（Kundu等人，2021年）。

有趣的是，第23太阳活动周期的VTEC变化幅度最大，其次是

结论

本研究全面分析了从第23到第25太阳活动周期中，电离层总电子含量（VTEC）对太阳和地磁因素变化的响应。利用全球CASG VTEC数据和NASA OMNI太阳-地球物理参数，我们量化了不同太阳活动阶段之间的相关性和时间延迟动态。我们的发现证实，尤其是$F_{10.7}$通量和R太阳黑子数与VTEC之间的相关性最强且最稳定。

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

我们感谢马来西亚科学技术创新部（MOSTI）通过技术发展基金（TDF07221598）提供的支持。CASG VTEC数据来自ftp://ftp.gipp.org.cn。OMNI数据来自https://omniweb.gsfc.nasa.gov的GSFC/SPDF OMNIWeb接口。数据分析使用了Python，主要利用了astropy包，该包的详细信息可在http://www.astropy.org/找到。