2024年5月超级地磁暴期间电离层电子密度极端耗损及其半球不对称性机制研究

针对2024年5月10-12日超级地磁暴事件，研究人员通过中国子午工程(CMP)多仪器观测网络，首次揭示了北半球电离层电子密度极端耗损（最大降幅98%）及其与南半球的显著不对称性。结合TIEGCM模型模拟，证实中性成分(O/N2比)变化与扰动电场共同导致总电子含量(TEC)锐减，为空间天气模型优化提供关键约束。

　　

2024年5月，一场被称为"母亲节风暴"的超级地磁暴席卷全球，其强度创下20年来纪录（Dst指数低至-412nT）。这场风暴不仅引发了极光盛宴，更对电离层——这个保护地球免受太空辐射、同时支撑无线电通信的关键层造成了前所未有的破坏。中国科学院国家空间科学中心的研究团队通过中国子午工程(CMP)的密集监测网络，首次捕捉到北半球电离层电子密度如"雪崩"般骤降的惊人现象：持续两天的极端耗损使电子密度最大降幅达98%，导致多部电离层测高仪的回波信号完全消失，高频无线电通信大面积中断。

为揭示这一现象的物理机制，研究团队整合了地面GNSS-TEC、三亚非相干散射雷达(SYISR)的电子密度剖面、Swarm/DMSP卫星原位观测，以及TIEGCM数值模型。关键技术包括：1) 基于27个GNSS接收站数据同化生成中国区域TEC地图；2) 利用SYISR测量300-600km高度的电子密度与离子漂移速度；3) 通过GUVI/GOLD卫星获取全球ΣO/N₂柱密度比；4) 采用2.5°×2.5°高分辨率TIEGCM模拟热层-电离层耦合过程。

电离层极端耗损特征
观测显示，中国区域TEC从正常值100TECU骤降至1-2TECU，赤道电离异常(EIA)北峰完全消失。三亚雷达数据揭示F区电子密度出现三个数量级的暴跌（图3），夜间最大降幅达99%。特别值得注意的是，电离层响应呈现显著半球不对称性：北半球持续两天的极端耗损与南半球中低纬度的电子密度增强形成鲜明对比。

物理机制解析
TIEGCM模拟与GUVI/GOLD观测共同证实（图6），极区焦耳加热引发富含N₂的气体上涌，夏季向冬季的全球环流将这些"电子杀手"输送到低纬度。北半球ΣO/N₂比如"潮水退却"般从高纬向赤道蔓延，而南半球该比值保持稳定甚至增强。垂直离子漂移观测（图3b）进一步揭示，西向扰动电场(DDEF)抑制了赤道喷泉效应，与中性成分变化共同导致EIA瓦解。

工程应用价值
该研究首次建立了磁层-热层耦合过程与极端电子密度耗损的因果关系，揭示了季节环流在半球不对称性中的关键作用。这些发现为空间天气预警提供了新范式——通过监测ΣO/N₂比和电场扰动，可提前预测电离层中断风险。论文中记录的无线电通信崩溃案例（图2c-f），更是直接警示了现代导航定位系统在极端空间天气中的脆弱性。

这项发表于《National Science Review》的成果，不仅刷新了对超级地磁暴影响的认识，更推动了中国子午工程成为全球空间环境监测的重要支柱。正如研究者陈艳红等在文中所强调："电离层就像地球的'太空皮肤'，这次观测到的'溃烂'现象，让我们重新审视太阳风暴防御系统的设计标准。"