電離層暴

劇烈的太陽活動可能引起磁暴，使地球空間環境發生強烈擾動。伴隨着磁暴的發生，在全球範圍內電離層各層都相繼出現劇烈的變化，表現為電子密度、F2層臨界頻率和總電子含量等電離層參量對平靜日均值的顯著偏離，即電離層暴。 ^[1] 

熱層暴環流機制

Duncan最早提出熱層暴環流學説來解釋電離層暴的產生機制，此後經過許多學者不斷的完善和發展，該理論日趨成熟，並在Fuller-Rowell的數值模擬中得到了很好的反映，熱層暴環流理論可以用來解釋本文得到的電離層暴，隨緯度和季節的分佈及部分地方時特徵。

太陽風能量的注入一直影響着極區上層大氣的密度結構，使得極區存在着一個永久性的成分擾動帶，在這一區域內主要發生的是較輕氣體成分的下降和較重氣體成分的增加，可用原子性氧與分子性氮密度之比R([O] /[N₂])下降來表示。在白天側中性成分擾動作用甚至超過太陽的輻射電離作用，使得整個高緯電離層表現為負相擾動。在磁暴發生時，由於粒子沉降和焦耳加熱等效應，極區熱層温度升高， 在F 層可增加幾百開爾文，產生大尺度壓力梯度，驅動赤道向擾動風場。

擾動風場攜帶擾動中性成分向赤道方向傳輸，在緯度方向的擴散決定於風場的強度及地方時，磁暴越強，產生的赤道向擾動風場也越強，導致中性成分擾動帶能擴散到更低緯度，使一些中低緯區也能觀測到負暴效應，從地方時上看，太陽驅動的背景風場在白天是赤道-極區方向，會與赤道向擾動風場相互抵制，導致白天測電離層負暴侷限於較高的緯度地區；與此同時， 兩種風場相互作用，使得熱層抬升到分子成分相對減少的區域，離子游離複合減小，再加上白天測的太陽輻射電離，其結果導致電離層密度增加，即正相擾動。在夜間，背景風場則是極區-赤道方向，它與赤道向擾動風場共同作用，使擾動中性成分能傳播到更低的緯度區，導致夜間容易發生負暴。

在不同季節，背景風場的特徵還有所不同，這導致了電離層暴的季節特徵。

在冬季，極向背景風場很強，使得中低緯區能觀測到很強的電離層正暴，而負暴發生很少；

在夏季，極向背景風場相對於冬季減少許多，且在白天大部分時間都為赤道向， 因而夏季白天和夜晚都易發生負暴。

高緯磁層電場穿透

除了熱層暴環流機制外，在磁暴期間，高緯磁層電場穿透及擾動發電機電場向中低緯的傳播，也是影響中低緯電離層擾動的主要機制。

與太陽風-磁層發電機相聯繫的磁層電場穿透，主要發生於磁暴的急始(IMF Bz由北向轉為南向)和磁暴恢復相(IMF Bz由南轉為北向)期間，電離層響應迅速，但持續時間短，一般不超過小時量級。由高緯能量沉降而產生的擾動發電機電場向赤道方向的傳播，會導致中低緯電場產生長時間的擾動，這類擾動從高緯到低緯的傳播存在着3 ～ 4h的時間延遲。根據Blanc和Richmond的模擬結果，擾動發電機電場作用與寧靜日電場相反，會阻礙噴泉效應和減弱赤道異常峯的形成，表現為赤道北駝峯南移，在駝峯以南的低緯台站出現正相擾動，駝峯以北的台站出現負相擾動。

在低緯區，夜測由兩極-赤道向擾動風場在赤道附近的會聚，導致電離層等離子體壓縮，電子密度增加，發生正相暴。研究表明，白天有利於正相暴的發生，負相暴會受到抑制，所以磁暴發生於白天時，正相暴響應很快，負相暴會有很長時間的延遲，而夜間情況正好相反，這正好解釋了電離層暴延遲時間與MPO發生的地方時的對應關係。根據前人的分析，電離層暴主要產生機制如中性成分變化、赤道向擾動風場、擾動發電機電場等都存在着從極區向低緯傳播的趨勢。 ^[2] 

東亞扇區

東亞扇區中低緯地區電離層暴的統計分析

(1)東亞扇區中緯區負暴明顯， 低緯區正暴明顯。對於同樣量級的地磁暴，中緯Yakutsk 站比低緯站更容易發生明顯的電離層響應，Okinawa 站緯度最低，但其負暴發生率高於Kokubunji 站和Wuhan 站。

(2)東亞扇區中低緯區電離層暴對季節的依賴性很強，在夏季負暴多於正暴， 在冬季正暴多於負暴， 而在春秋季正負暴的分佈則顯示出緯度差異，中緯Yakutsk 站負暴多於正暴，其他三個低緯台站則是正暴多於負暴。

(3)東亞扇區電離層暴開始時間對地方時的依賴性很強，中低緯台站負暴開始時間主要分佈在夜間及清晨時段，且Yakut sk 站和Ko kubunji 站負相暴開始時間存在時間禁區，説明時間禁區不止是中緯地區的現象，在某些低緯區也存在，正相暴發生時間也存在緯度差異，Ko kubunji 站和Wuhan 站正相暴主要發生在白天時段，且在黃昏後到午夜前時段也很容易發生正暴；而Okinaw a 站正相暴主要發生於黃昏後到午夜前時段，白天很少發生正暴。

(4)該地區電離層暴的延遲時間與磁暴MPO的地方時很相關。MPO 發生於白天時，正相暴延遲時間較MPO 發生於夜間時要短，負相暴延遲時間分佈則正好相反，中低緯電離層正相暴平均延遲時間主要在10 h 以內，而負相暴平均延遲時間主要在10 h 以上，中緯區正負相電離層暴延遲時間明顯比低緯區要短，本文通過對比還發現，磁暴強度對延遲時間的影響沒有地方時的影響大。 ^[2] 

歐洲扇區

(1)電離層暴有明顯的緯度分佈特徵，正負暴出現次數的比例隨緯度的降低呈現明顯的增加趨勢，但夏季赤道地區趨勢相反，正負暴比例比更高緯度反而降低；

(2)與主相相比，恢復相期間大部分緯度地區正暴數量減少，負暴數量增加，但赤道地區恢復相期間正暴數量反而增加；

(3)中低緯地區電離層暴隨磁暴MPO地方時分佈特徵明顯，正暴所對應的MPO 主要分佈在白天，而MPO發生在夜間容易引起負暴；

(4)電離層負暴主要發生在夜間，中、高緯地區負暴的開始時間存在時間禁區，但不同緯度時間禁區的地方時分佈有一定差異，正暴分佈則相對分散；

電離層暴隨季節、磁暴暴相和地方時的分佈特徵都存在明顯的緯度差異，得到一些有意義的新結果，比如主相期間正暴顯著多於恢復相，但赤道地區卻是恢復相正暴更多；正負暴出現次數的比例，隨緯度的降低呈現非常明顯的增加趨勢，但夏季赤道地區的正負暴比例，比更高緯度的反而降低。 ^[1] 

中國西部及周邊區域

中國西部及周邊區域電離層暴的統計特性：

(1)區域內電離層暴以正暴為主，暴時赤道電流系對電離層的控制作用較強；

(2)大暴主要發生在磁緯15°N～ 20°N之間的赤道異常北駝峯附近，其他地方發生較少；

(3)冬季正暴頻繁，夏季負暴佔優，反映了暴的主要影響因素隨季節發生變化；夏季暴環流與大氣環流同向，因而起源於高緯的負暴容易傳播到中低緯；冬季二者反向，負暴的赤道向傳播受到抑制，赤道電流系的控制增強；

(4)電離層暴的發生受制於太陽地磁活動以及背景風場的運動，這些因素都是隨機的，電離層暴可能開始於任何時刻。然而，對特定的區域，受制於局地位置以及背景熱層風場特性，暴的開始時間具有特定的規律。暴的開始時間主要位於日落到凌晨前後，且越靠近赤道禁期越長。

地磁暴發生時，電離層會有偏離平均水平的強烈擾動，稱之為電離層暴。 ^[2]  相關研究長期以來備受重視。自Appleton和Ingram於1935年首次發現電離層暴現象以來，大量研究結果使人們對電離層暴隨太陽地磁活動、經緯度和季節變化的統計形態有了基本認識。然而，電離層暴的影響因素眾多，不同位置各因素的影響程度差別很大，使得暴的分佈規律不具有普適性。

電離層暴的研究已經超過了50年，人們對電離層暴的理解越來越深入，其間出現了不少優秀的綜述性文章，也有大量個例研究。還有一些暴時電離層響應的統計研究，比如，Balan和Rao(1990)利用TEL和Nmax數據，針對磁暴急始發生的地方時和磁暴強度，研究了1968~1972年間60多個磁暴事件的中低緯電離層響應；高琴等人(2008)基於1957~2006年間F：層臨界頻率的觀測數據，統計分析了東亞扇區515次磁暴期間中低緯度電離層暴的類型、起始時間、以及季節和地方時的分佈特徵；Vijaya Lekshmi等(2011)對第22~23太陽活動周的磁暴和中低緯電離層暴進行了統計研究，鄧忠新等(2012)利用TEL擾動指數DI，提取並分析了中國地區電離層TEL擾動事件。

由於複雜的物理機制，比如電場、中性風和成分變化，對於一個特定的暴，相應的電離層擾動取決於很多因素，比如季節、地方時、地點和磁暴暴相等，這些因素使不同的電離層暴之間有很大區別。在早期的電離層暴研究中，Seaton(1956)提出F層負暴是由增加的中性大氣分子成分導致俘型複合率增加所致。D uncan(1969)提出高緯能量輸入導致的熱層環流是引起暴時響應的原因。之後，一些學者(e. g.Mayr and Volland， 1973； Matuura，1972)將太陽驅動的靜日環流考慮進來，對D uncan(1969)的理論進行了補充。關於暴時環流的模型由Burn、等和Fuller-Rowell等(1994， 1996)建立.Burn、等(1995)對暴時等離子體垂直漂移進行了詳細研究，但是還沒建立關於垂直運動和成分改變的關係。Fuller-Rowell等(1996)和Field等(1998)提出正負暴可能都是由成分改變引起，他們將暴時和靜日的電子密度和O/N₂用一個簡單的等式表達。中、低緯電離層負暴的產生主要是由於熱層大氣成分的改變，即熱層氮分子濃度的升高和氧原子濃度的降低，使得化學複合過程加快。中、低緯電離層正暴的產生主要源於暴時赤道向中性風的化學效應導致的複合過程的迅速減慢和下行等離子體擴散，以及增強的即時東向穿透電場導致的赤道等離子體噴泉的快速增強。中、高緯電離層正暴的產生，主要源於亞極光電場的增強和赤道向膨脹(Foster，1993；Heelis et al，2009 )。磁暴主相期間赤道地區的即時東向穿透電場與更高緯度的效果相反。

以往的統計研究表明電離層正、負暴依賴於地方時、季節和緯度。在中、低緯度，對所有季節，主相發生在夜間的磁暴，通常導致電離層負暴；主相發生在白天(尤其是上午一中午)的磁暴，通常在冬季和春秋季導致電離層正暴，在夏季導致先正暴後負暴。也有不少電離層暴與上述一般特徵存在較大差異。地磁和地理赤道的傾斜導致即使在地磁共扼的地方，電離層暴也有顯著不同的特徵。赤道和高緯電離層的暴時響應通常表現出相反的特徵。由於電離層暴緯度效應比較明顯，也有一些學者針對特定緯度區域的電離層暴形態進行了研究和分析。 ^[1]