近日，山东大学空间科学攀登团队电离层与磁层耦合课题组刘晶教授团队在太阳耀斑后相影响电离层状态方向取得系列新进展。相关成果发表于国际期刊《The Astrophysical Journal Letters》与《The Astrophysical Journal》。合作者包括攀登团队成员陈耀教授与孔祥良教授、中科院地质与地球物理研究所刘立波研究员以及美国国家大气研究中心钱丽英与王文斌研究员等。
耀斑是太阳上最剧烈的活动现象之一，伴随着突然增强的X射线和极紫外线（EUV）辐射。这些增强辐射在八分钟内即可到达地球，并引起地球电离层温度和电子密度迅速增加，对于人类航空航天活动和空间设施安全等具有重要影响。耀斑过程通常分为三个阶段：前相、上升相和恢复相。近年来，基于太阳动力学天文台（Solar Dynamics Observatory）数据发现有些耀斑事件存在第四阶段，表现为耀斑后期的EUV辐射再次增强，称之为耀斑EUV后相（如图1所示）。目前，尚不清楚该阶段EUV辐射增强对电离层有何影响，也为空间天气灾害研究提出了崭新课题。
图1. 2012年10月23日SDO卫星测量的太阳辐射谱在X1.8级耀斑期间的变化情况。
刘晶教授带领合作组利用我国自主观测电离层测高仪（北京、武汉与三亚）等数据并采用基于真实的太阳辐射谱驱动全球三维热层-电离层-电动力学耦合模型结果，首次给出了耀斑后相显著影响电离层电子密度的直接证据。结果显示在2012年10月23日X1.8耀斑后相期间，释放的EUV辐射能量大于主相期间，使得电离层日下点附近增加的电子密度比主相期间多~5 TECU，产生了比耀斑主相更显著的影响。并且电子密度的增加主要出现在电离层F层，增幅为~ 20%至~ 100%。
合作组进一步利用全球两百多个地磁观测台站数据并结合模拟结果，发现耀斑EUV后相可以影响电离层电流体系（如图2所示）。观测结果表明耀斑后相显著增强了电离层电流且伴随着正午的电流涡旋中心位置极向移动。相关成果发表于《The Astrophysical Journal》，课题组博士生刘宣青为第一作者，刘晶教授与陈耀教授为通讯作者。该研究有助于理解太阳耀斑的对地效应，以及地球与其它类地行星电离层光化学与电动力学过程的物理过程，可提升空间天气模型的计算精度。
图2. 全球电离层等效电流在包含EUV后相的耀斑期间变化情况。
自2020年以来，刘晶教授合作组围绕太阳耀斑的地球空间效应研究取得重要研究进展，系列研究成果发表于《Nature Physics》，《JGR: Space Physics》等期刊。以上研究得到了中科院B类先导专项、国家自然科学基金，国家重大科技基础设施建设专项—子午工程等项目任务的资助。
论文链接：
Jing Liu*, Liying Qian, Wenbin Wang, Kevin Pham, Xiangliang Kong, Yao Chen, Wenlong Liu, Libo Liu, and Xuanqing Liu. (2024). The Astrophysical Journal Letters, 963,1. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad250b
Xuanqing Liu, Xinyan Fan, Jing Liu*, Xiangliang Kong, Yao Chen*, Qiaoling Li, Shuhan Li, and Jiajun Zhen. The Astrophysical Journal, 963,1. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad1930
相关文献：
Liu Jing*, Wenbin Wang, Liying Qian, William Lotko, Alan G. Burns, Kevin Pham, Gang Lu, Stanley C. Solomon, Libo Liu, Weixing Wan, B. J. Anderson, Anthea Coster, and Frederick Wilder (2021), Solar flare effects in the Earth’s magnetosphere, Nature Physics, doi:10.1038/s41567-021-01203-5. http://dx.doi.org/10.1038/s41567-021-01203-5.
Liu, J.*, Qian, L., Maute, A., Wang, W., Richmond, A. D., Chen, J., et al. (2021). Electrodynamical Coupling of the Geospace System during Solar Flares. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2020JA028569. https://doi.org/10.1029/2020JA028569.
Liu, X., Liu, J.*, Wang, W., Zhang, S.-R., Zhang, K., Lei, J., et al. (2022). Explaining solar flare-induced ionospheric ion upflow at Millstone Hill (42.6°N). Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127, e2021JA030185. https://doi.org/10.1029/2021JA030185.
Liu, J. *, Wang, W., Qian, L., Pham, K., Liu, L., Li, Q., et al. (2023). Impacts of ionospheric conductance on magnetosphere-ionosphere coupling. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 128, e2022JA030864. https://doi.org/10.1029/2022JA030864
