電暴離層
作者：張瑞龍 李文博 劉立波/地球與行星物理實驗室
電離層是什么呢？
其實單從字面就很容易理解，它是地球大氣中被“電離”的一個區域，作為日地空間環境的關鍵區域，電離層是人類空間活動和大多數空間飛行器運行的主要區域，也是無線電波的傳播媒介。當空間技術系統為主導的空間時代到來后，人們對認識電離層的重要性和迫切性不僅沒有減退，反而得到了極大的增強。
地球大氣受到太陽輻射電離而形成的電離層，始終受到太陽活動的影響。表面上，太陽顯得氣定神閑，實際上，太陽表面暗流涌動，在太陽大氣中，經常發生“爆炸”現象，這就形成太陽風暴，并向廣袤的行星際空間中噴射大量的高能帶電粒子（即日冕物質拋射）。
圖 1 美國宇航局SDO衛星在2017年09月06日12時10分17秒捕捉到的太陽耀斑爆發
圖 2 日冕物質拋射圖
圖 3 太陽風與地磁場相互作用
太陽高能粒子將以超音速的速度沖向地球，但地球在磁場的保護下，只有約2%-8%的太陽風能量能進入到近地空間，當太陽風能量持續進入近地空間后，地磁活動變強，此時就會發生磁暴。同時，耦合進入地球高緯地區的能量驅動會使整個電離層系統都發生劇烈的擾動。電離層暴即表征磁暴的情況下，電離層會受擾動而出現極端狀態，導致電離層暴期間的電子密度會出現劇烈擾動，從而使全球衛星定位系統(GPS)的定位誤差上升至幾十米。如果你靠GPS定位系統來為飛機導航，那么偏離跑道幾十米將意味著什么？
圖 4 太陽風能量注入示意圖
電離層暴期間劇烈變化的電子密度可分為兩種不同的情況：① 電離層正暴（positive storms），表示相對平靜時期的電子密度增加，如左圖所示；② 電離層負暴（negative storms），表示相對平靜時期的電子密度減少，如右圖所示。
圖 5 電離層正暴與電離層負暴示意圖
電離層電子密度之所以會發生這樣的改變是因為電離層暴期間風場、電場、大氣成分等共同作用的結果。
耦合進入地球高緯地區的能量將會加熱高層大氣，引起大氣膨脹，從而向中低緯地區驅動，使風場受到擾動進而使風場的結構發生變化。由圖 6 可以看出，高緯時擾動風場是在赤道地區的，由于受到地球自轉的影響將逐漸西偏，擾動風場將攜帶帶電粒子沿著磁力線運動，這一運動將直接改變電離層電子密度。
除了對帶電粒子的直接作用之外，大氣膨脹導致分子氣體上涌，在電離層高度的分子氣體的比重增加，使擾動風場將比重增加的分子氣體輸送到中低緯地區。分子氣體增加將會加速帶電粒子與分子氣體的復合，所以導致電離層電子濃度減小，引起電離層的負暴效應。
圖 7 在2012年電離層暴期間，分子氣體到達中低緯度地區示意圖（中圖藍色表示分子氣體增加），電離層電子總含量TEC將減小。
秘魯Huancay地磁臺站在1963年12月03日記錄的地磁場變化與美國宇航局IMP-1衛星在距地球19萬公里之遙觀測太陽風磁場變化呈現出驚人的相似，這揭示了太陽風磁場和地磁場的直接聯系。
圖 8 秘魯Huancay地磁臺站記錄的赤道電集流和IMP-1衛星觀測的太陽風磁場
除磁場之外，太陽風電場也會與電離層電場發生直接聯系，如秘魯Jicamarca非相干散射雷達在2004年11月09-10日探測的電離層電場變化與距離地球150萬公里的ACE衛星觀測到的太陽風電場的變化形態也十分相似。
圖 9 ACE衛星探測的太陽風電場與Jicamarca非相干散射雷達觀測的電離層電場
在電離層暴期間，變化的電場將會改變電離層中電子的運動，從而影響電子密度的結構與形態。在2003年11月超級磁暴期間，美國國防氣象衛星DMSP探測到在距地球840km的高度時離子濃度在低緯地區顯著增加，并沿磁赤道呈現出明顯的雙峰結構。這些變化正是由于太陽風電場改變電離層電場所引起的。
圖 10 美國國防氣象DMSP衛星探測出在距地球840km高度時離子濃度的緯度變化
現在我們已經知道了導致電離層暴形成的一些影響因素。但電離層暴這種受風場、電場、大氣成分共同作用而產生的電離層擾動又隨著季節、太陽活動、經緯度、高度等因素變化而變化，所以還有很多有關電離層暴的秘密被封在黑匣子中沒有被世人所發現。怎么樣？有興趣么？感受到電離層暴的神奇了么？喜歡上空間物理了么？那還等什么！加入空間物理的研究吧！
美術編輯：趙亞楠
校 對：黃志偉
