电离层暴

物理学名词

电离层暴（Ionospheric storm）是指电离层物理参量对正常状态的重大偏离。常常伴随着磁暴和极光现象的发生，能严重影响甚至截断依赖电离层传播的短波通讯、导航定位等。

介绍

剧烈的太阳活动可能引起磁暴，使地球空间环境发生强烈扰动。伴随着磁暴的发生，在全球范围内电离层各层都相继出现剧烈的变化，表现为电子密度、F2层临界频率和总电子含量等电离层参量对平静日均值的显著偏离，即电离层暴。

发生机制

热层暴环流机制

Duncan最早提出热层暴环流学说来解释电离层暴的产生机制，此后经过许多学者不断的完善和发展，该理论日趋成熟，并在Fuller-Rowell的数值模拟中得到了很好的反映，热层暴环流理论可以用来解释本文得到的电离层暴，随纬度和季节的分布及部分地方时特征。

太阳风能量的注入一直影响着极区上层大气的密度结构，使得极区存在着一个永久性的成分扰动带，在这一区域内主要发生的是较轻气体成分的下降和较重气体成分的增加，可用原子性氧与分子性氮密度之比R([O] /[N2])下降来表示。在白天侧中性成分扰动作用甚至超过太阳的辐射电离作用，使得整个高纬电离层表现为负相扰动。在磁暴发生时，由于粒子沉降和焦耳加热等效应，极区热层温度升高，在F 层可增加几百开尔文，产生大尺度压力梯度，驱动赤道向扰动风场。

扰动风场携带扰动中性成分向赤道方向传输，在纬度方向的扩散决定于风场的强度及地方时，磁暴越强，产生的赤道向扰动风场也越强，导致中性成分扰动带能扩散到更低纬度，使一些中低纬区也能观测到负暴效应，从地方时上看，太阳驱动的背景风场在白天是赤道-极区方向，会与赤道向扰动风场相互抵制，导致白天测电离层负暴局限于较高的纬度地区；与此同时，两种风场相互作用，使得热层抬升到分子成分相对减少的区域，离子游离复合减小，再加上白天测的太阳辐射电离，其结果导致电离层密度增加，即正相扰动。在夜间，背景风场则是极区-赤道方向，它与赤道向扰动风场共同作用，使扰动中性成分能传播到更低的纬度区，导致夜间容易发生负暴。

在不同季节，背景风场的特征还有所不同，这导致了电离层暴的季节特征。

在冬季，极向背景风场很强，使得中低纬区能观测到很强的电离层正暴，而负暴发生很少；

在夏季，极向背景风场相对于冬季减少许多，且在白天大部分时间都为赤道向，因而夏季白天和夜晚都易发生负暴。

高纬磁层电场穿透

除了热层暴环流机制外，在磁暴期间，高纬磁层电场穿透及扰动发电机电场向中低纬的传播，也是影响中低纬电离层扰动的主要机制。

与太阳风-磁层发电机相联系的磁层电场穿透，主要发生于磁暴的急始(IMF Bz由北向转为南向)和磁暴恢复相(IMF Bz由南转为北向)期间，电离层响应迅速，但持续时间短，一般不超过小时量级。由高纬能量沉降而产生的扰动发电机电场向赤道方向的传播，会导致中低纬电场产生长时间的扰动，这类扰动从高纬到低纬的传播存在着3 ～ 4h的时间延迟。根据Blanc和Richmond的模拟结果，扰动发电机电场作用与宁静日电场相反，会阻碍喷泉效应和减弱赤道异常峰的形成，表现为赤道北驼峰南移，在驼峰以南的低纬台站出现正相扰动，驼峰以北的台站出现负相扰动。

在低纬区，夜测由两极-赤道向扰动风场在赤道附近的会聚，导致电离层等离子体压缩，电子密度增加，发生正相暴。研究表明，白天有利于正相暴的发生，负相暴会受到抑制，所以磁暴发生于白天时，正相暴响应很快，负相暴会有很长时间的延迟，而夜间情况正好相反，这正好解释了电离层暴延迟时间与MPO发生的地方时的对应关系。根据前人的分析，电离层暴主要产生机制如中性成分变化、赤道向扰动风场、扰动发电机电场等都存在着从极区向低纬传播的趋势。

特征分析

东亚扇区

东亚扇区中低纬地区电离层暴的统计分析

(1)东亚扇区中纬区负暴明显，低纬区正暴明显。对于同样量级的地磁暴，中纬Yakutsk 站比低纬站更容易发生明显的电离层响应，Okinawa 站纬度最低，但其负暴发生率高于Kokubunji 站和Wuhan 站。

(2)东亚扇区中低纬区电离层暴对季节的依赖性很强，在夏季负暴多于正暴，在冬季正暴多于负暴，而在春秋季正负暴的分布则显示出纬度差异，中纬Yakutsk 站负暴多于正暴，其他三个低纬台站则是正暴多于负暴。

(3)东亚扇区电离层暴开始时间对地方时的依赖性很强，中低纬台站负暴开始时间主要分布在夜间及清晨时段，且Yakut sk 站和Ko kubunji 站负相暴开始时间存在时间禁区，说明时间禁区不止是中纬地区的现象，在某些低纬区也存在，正相暴发生时间也存在纬度差异，Ko kubunji 站和Wuhan 站正相暴主要发生在白天时段，且在黄昏后到午夜前时段也很容易发生正暴；而Okinaw a 站正相暴主要发生于黄昏后到午夜前时段，白天很少发生正暴。

(4)该地区电离层暴的延迟时间与磁暴MPO的地方时很相关。MPO 发生于白天时，正相暴延迟时间较MPO 发生于夜间时要短，负相暴延迟时间分布则正好相反，中低纬电离层正相暴平均延迟时间主要在10 h 以内，而负相暴平均延迟时间主要在10 h 以上，中纬区正负相电离层暴延迟时间明显比低纬区要短，本文通过对比还发现，磁暴强度对延迟时间的影响没有地方时的影响大。

欧洲扇区

(1)电离层暴有明显的纬度分布特征，正负暴出现次数的比例随纬度的降低呈现明显的增加趋势，但夏季赤道地区趋势相反，正负暴比例比更高纬度反而降低；

(2)与主相相比，恢复相期间大部分纬度地区正暴数量减少，负暴数量增加，但赤道地区恢复相期间正暴数量反而增加；

(3)中低纬地区电离层暴随磁暴MPO地方时分布特征明显，正暴所对应的MPO 主要分布在白天，而MPO发生在夜间容易引起负暴；

(4)电离层负暴主要发生在夜间，中、高纬地区负暴的开始时间存在时间禁区，但不同纬度时间禁区的地方时分布有一定差异，正暴分布则相对分散；

电离层暴随季节、磁暴暴相和地方时的分布特征都存在明显的纬度差异，得到一些有意义的新结果，比如主相期间正暴显著多于恢复相，但赤道地区却是恢复相正暴更多；正负暴出现次数的比例，随纬度的降低呈现非常明显的增加趋势，但夏季赤道地区的正负暴比例，比更高纬度的反而降低。

中国西部及周边区域

中国西部及周边区域电离层暴的统计特性：

(1)区域内电离层暴以正暴为主，暴时赤道电流系对电离层的控制作用较强；

(2)大暴主要发生在磁纬15°N～ 20°N之间的赤道异常北驼峰附近，其他地方发生较少；

(3)冬季正暴频繁，夏季负暴占优，反映了暴的主要影响因素随季节发生变化；夏季暴环流与大气环流同向，因而起源于高纬的负暴容易传播到中低纬；冬季二者反向，负暴的赤道向传播受到抑制，赤道电流系的控制增强；

(4)电离层暴的发生受制于太阳地磁活动以及背景风场的运动，这些因素都是随机的，电离层暴可能开始于任何时刻。然而，对特定的区域，受制于局地位置以及背景热层风场特性，暴的开始时间具有特定的规律。暴的开始时间主要位于日落到凌晨前后，且越靠近赤道禁期越长。

研究历程

地磁暴发生时，电离层会有偏离平均水平的强烈扰动，称之为电离层暴。相关研究长期以来备受重视。自Appleton和Ingram于1935年首次发现电离层暴现象以来，大量研究结果使人们对电离层暴随太阳地磁活动、经纬度和季节变化的统计形态有了基本认识。然而，电离层暴的影响因素众多，不同位置各因素的影响程度差别很大，使得暴的分布规律不具有普适性。

电离层暴的研究已经超过了50年，人们对电离层暴的理解越来越深入，其间出现了不少优秀的综述性文章，也有大量个例研究。还有一些暴时电离层响应的统计研究，比如，Balan和Rao(1990)利用TEL和Nmax数据，针对磁暴急始发生的地方时和磁暴强度，研究了1968~1972年间60多个磁暴事件的中低纬电离层响应；高琴等人(2008)基于1957~2006年间F：层临界频率的观测数据，统计分析了东亚扇区515次磁暴期间中低纬度电离层暴的类型、起始时间、以及季节和地方时的分布特征；Vijaya Lekshmi等(2011)对第22~23太阳活动周的磁暴和中低纬电离层暴进行了统计研究，邓忠新等(2012)利用TEL扰动指数DI，提取并分析了中国地区电离层TEL扰动事件。

由于复杂的物理机制，比如电场、中性风和成分变化，对于一个特定的暴，相应的电离层扰动取决于很多因素，比如季节、地方时、地点和磁暴暴相等，这些因素使不同的电离层暴之间有很大区别。在早期的电离层暴研究中，Seaton(1956)提出F层负暴是由增加的中性大气分子成分导致俘型复合率增加所致。D uncan(1969)提出高纬能量输入导致的热层环流是引起暴时响应的原因。之后，一些学者(e. g.Mayr and Volland， 1973； Matuura，1972)将太阳驱动的静日环流考虑进来，对D uncan(1969)的理论进行了补充。关于暴时环流的模型由Burn、等和Fuller-Rowell等(1994， 1996)建立.Burn、等(1995)对暴时等离子体垂直漂移进行了详细研究，但是还没建立关于垂直运动和成分改变的关系。Fuller-Rowell等(1996)和Field等(1998)提出正负暴可能都是由成分改变引起，他们将暴时和静日的电子密度和O/N2用一个简单的等式表达。中、低纬电离层负暴的产生主要是由于热层大气成分的改变，即热层氮分子浓度的升高和氧原子浓度的降低，使得化学复合过程加快。中、低纬电离层正暴的产生主要源于暴时赤道向中性风的化学效应导致的复合过程的迅速减慢和下行等离子体扩散，以及增强的即时东向穿透电场导致的赤道等离子体喷泉的快速增强。中、高纬电离层正暴的产生，主要源于亚极光电场的增强和赤道向膨胀(Foster，1993；Heelis et al，2009 )。磁暴主相期间赤道地区的即时东向穿透电场与更高纬度的效果相反。

以往的统计研究表明电离层正、负暴依赖于地方时、季节和纬度。在中、低纬度，对所有季节，主相发生在夜间的磁暴，通常导致电离层负暴；主相发生在白天(尤其是上午一中午)的磁暴，通常在冬季和春秋季导致电离层正暴，在夏季导致先正暴后负暴。也有不少电离层暴与上述一般特征存在较大差异。地磁和地理赤道的倾斜导致即使在地磁共扼的地方，电离层暴也有显著不同的特征。赤道和高纬电离层的暴时响应通常表现出相反的特征。由于电离层暴纬度效应比较明显，也有一些学者针对特定纬度区域的电离层暴形态进行了研究和分析。

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