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編者按：

3月26日，2026年中關(guān)村論壇·國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開放共享論壇暨懷柔綜合性國家科學(xué)中心重大成果發(fā)布會在懷柔科學(xué)城舉行，集中發(fā)布了8項(xiàng)懷柔科學(xué)中心具有代表性的重大突破性成果。其中，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心團(tuán)隊依托子午工程取得的成果引人注目，該研究揭示了2024年5月極端地磁暴期間電離層的完整響應(yīng)機(jī)制，并在全球尺度上發(fā)現(xiàn)了南北半球響應(yīng)的不對稱性。

觀天巨網(wǎng)匯于懷柔子午工程總部：席卷全球的超級地磁暴何以被看見？

2024年5月10日中國氣象微信視頻直播地磁暴出現(xiàn)的極光畫面

地磁暴，一個離大部分普通公眾十分遙遠(yuǎn)的天文學(xué)名詞。提及這個詞，首先映入大眾腦海的是太陽風(fēng)與地球磁場激烈交鋒時在夜空中流動的絢麗色彩——極光。

然而，地磁暴帶來的遠(yuǎn)不止這些。在美麗極光的背后，電離層電子密度的劇烈變化，悄無聲息地影響著普通人的生活：短波通信用戶可能發(fā)現(xiàn)頻道大面積中斷、換頻率也無濟(jì)于事；依賴精密導(dǎo)航作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械會出現(xiàn)定位偏差，播種行列無法保持筆直。

2024年5月，一場超級地磁暴席卷全球。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究團(tuán)隊以此為契機(jī)，依托國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程二期監(jiān)測網(wǎng)多種電離層探測設(shè)備，為上述現(xiàn)象背后的物理機(jī)制提供了完整的觀測證據(jù)，首次系統(tǒng)記錄并分析了中低緯地區(qū)觀測到電子密度近乎消失的極端負(fù)相變化，并在全球尺度上揭示了南北半球響應(yīng)的明顯不對稱性，完整厘清了從磁層能量注入到熱層成分?jǐn)_動、再到電離層極端變化的因果鏈條。

消失的“鏡子”

地球上空60~1000公里的高空，存在一層充滿自由電子的大氣層，科學(xué)家稱之為電離層。對于無線電波來說，它就是一面天然的“鏡子”，能夠反射或折射信號，讓信號繞過地平線傳播至遙遠(yuǎn)的另一端，支撐著人類的短波通信與長波導(dǎo)航，亦會對穿透它的衛(wèi)星通信和導(dǎo)航信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。

然而，這面“鏡子”并非堅不可摧。強(qiáng)烈的地磁暴會打破電離層的平衡，導(dǎo)致電子密度驟降，鏡子隨之“破碎”。

“我們早就預(yù)計到5月10日左右會有很強(qiáng)的地磁暴發(fā)生?！敝袊茖W(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員陳艷紅回憶道，早在事件發(fā)生前，已經(jīng)爆發(fā)了好幾次大級別太陽耀斑，團(tuán)隊立即與子午工程團(tuán)隊聯(lián)動，提前啟動了加密觀測，專門捕捉這次事件期間的數(shù)據(jù)。

然而，分析數(shù)據(jù)時，反常的數(shù)值讓在場的科研人員一頭霧水。當(dāng)時團(tuán)隊畫了地圖，預(yù)先設(shè)定了坐標(biāo)軸的數(shù)值范圍，但這次電離層電子密度下降的幅度，已經(jīng)超出了坐標(biāo)軸的下限，“大家第一反應(yīng)是數(shù)據(jù)出問題了”。

反復(fù)核查后，研究人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒有任何問題，而是電離層的電子密度出現(xiàn)了極端程度的驟降。

清晰的因果鏈條就此浮現(xiàn)——地磁暴發(fā)生時，高能粒子在極區(qū)沉降并加熱高層大氣，使底層富含氮?dú)夥肿拥目諝獗惶岭婋x層高度。由于氮?dú)夥肿訒铀匐娮优c離子的復(fù)合過程，電子被更快消耗，導(dǎo)致電離層電子密度下降。同時，磁暴產(chǎn)生的擾動電場將等離子體向低空輸運(yùn)，使電子進(jìn)入分子更密集的區(qū)域，進(jìn)一步增強(qiáng)其消耗速率。在這兩種機(jī)制的共同作用下，原本能夠反射無線電信號的電離層迅速變?nèi)?，甚至出現(xiàn)“消失”的現(xiàn)象。那面反射或折射信號的“鏡子”，便在無聲之中變薄，乃至消失。

波折中的意外收獲

基于中國地區(qū)的觀測數(shù)據(jù)，團(tuán)隊梳理出了完整的鏈條，并將這一發(fā)現(xiàn)整理成文。然而，成果發(fā)表的路上，一波三折。

稿件投出后，審稿專家給出了直接而犀利的意見：僅憑中國地區(qū)的觀測數(shù)據(jù)不夠，需要結(jié)合全球變化進(jìn)行更系統(tǒng)的分析，此外，還需要加入數(shù)值模擬，陳艷紅分享道：“審稿專家也表示，這個修改難度很大?！?/p>

那段時間，團(tuán)隊沉默了很久。但陳艷紅思來想去，覺得放棄意味著前功盡棄：“專家提的意見只是做起來很難，但并不是不能做?！?/p>

于是過完年后，她把幾年前做全球數(shù)據(jù)分析的程序翻了出來。“我把程序調(diào)出來一跑，發(fā)現(xiàn)還能跑，當(dāng)時很高興。”重新收集數(shù)據(jù)、引入多顆衛(wèi)星的觀測結(jié)果、補(bǔ)做數(shù)值模擬、閱讀大量關(guān)于這次及歷史磁暴事件的文獻(xiàn)……在原有基礎(chǔ)上，團(tuán)隊齊心協(xié)力，一點(diǎn)點(diǎn)啃下幾乎不可能完成的修改，將文章內(nèi)容擴(kuò)充了整整兩三倍。

這次深挖帶來了意想不到的收獲。在全球尺度上，雖然磁暴發(fā)生時南北半球都有低氧氮比向赤道擴(kuò)展并且電子密度大幅下降的現(xiàn)象，但南北半球的電離層恢復(fù)節(jié)奏明顯不同步，其原因在于夏冬半球之間本就存在背景中性風(fēng)，會引起北半球夏季高層大氣中氧氮比([O]/[N?])低于南半球，因此南半球低氧氮比區(qū)域會在這個背景中性風(fēng)作用下迅速吹散，使電子密度加快恢復(fù)；北季半球則恰恰相反，擾動因此得以長時間維持。多顆衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬共同證實(shí)了這一推斷，讓南北不對稱性從現(xiàn)象描述上升為有據(jù)可查的科學(xué)結(jié)論?！暗诙唽徃鍟r，專家?guī)缀鯖]有提出新的修改要求”，那道曾經(jīng)“幾乎不可能完成”的難題，推動著研究從單一視角擴(kuò)展至全球視野，形成了更完整、更具價值的研究。

2024年特大地磁暴期間子午工程捕捉到中國地區(qū)TEC顯著降低和高頻電波信號中斷

守望地球空間的“眼睛”

這一發(fā)現(xiàn)，離不開多雙守望地球空間的“眼睛”，它們都依托于我國空間天氣領(lǐng)域的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程。子午工程一期與二期在全國布設(shè)了三十余個觀測臺站，覆蓋電離層、磁層等多個圈層，形成一張從地面實(shí)現(xiàn)對日地空間環(huán)境全圈層、多要素綜合的立體式探測網(wǎng)絡(luò)。

在這次超級地磁暴的研究中，子午工程二期監(jiān)測網(wǎng)幾乎調(diào)動了所有主要設(shè)備：遍布全國的GNSS電離層TEC與閃爍監(jiān)測儀、多個臺站的測高儀、非相干散射雷達(dá)、雙通道光學(xué)干涉儀……不同的儀器從不同角度、高度、物理量出發(fā)，提供了多圈層、多參數(shù)的復(fù)雜數(shù)據(jù)集，助力科研人員共同描繪出這場空間風(fēng)暴的完整輪廓?！斑@些是支撐我們物理機(jī)理解釋的關(guān)鍵，也希望我們這次研究產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)成為更多青年科研人員的靈感源頭”，陳艷紅說。

團(tuán)隊下一步的目標(biāo)是在對電離層磁暴響應(yīng)機(jī)制理解日益深入的基礎(chǔ)上，建立一套可以提前預(yù)報磁暴后電離層變化的預(yù)報模型，讓這些來之不易的科學(xué)認(rèn)知，真正轉(zhuǎn)化為對通信、導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域的切實(shí)保障。

子午工程分布于全國，其核心中樞落地于懷柔科學(xué)城。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心懷柔園區(qū)里，子午工程綜合信息與運(yùn)控中心承擔(dān)著運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)匯聚與國際合作等核心功能。正是這一體系的長期積累與持續(xù)投入，使中國科學(xué)家得以在關(guān)鍵時刻拿出自己的數(shù)據(jù)，在科學(xué)前沿持續(xù)深扎、向遠(yuǎn)生長。

來源：懷柔科學(xué)城公眾號

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