近日，山东大学空间科学与技术学院/空间科学研究院刘晶教授联合国内外合作者，在地球高层大气对日食的响应机制研究方面取得系列重要进展，相关研究成果连续发表于地球物理学领域期刊《Geophysical Research Letters》（自然指数期刊，IF=5.1）。空间科学与技术学院博士生焦宇为第一作者，刘晶教授为通讯作者。合作者包括美国国家大气研究中心Joseph M. McInerney、科罗拉多大学研究员蔡旭光、中国地震台网中心研究员李建勇等。

图1 基于SDO/AIA的171Å波段观测数据驱动的太阳辐射模拟，来刻画2023年10月14日日环食月球遮挡过程中的日冕辐射分布

日食期间，月球以超声速扫过地球，在局部区域造成太阳辐射（尤其是对高层大气加热和电离至关重要的极紫外辐射）的急剧减少和恢复。这一“天然实验”为研究太阳辐射突变下，地球大气从地表到数百公里高度的各圈层（对流层、平流层、中间层、热层、电离层）如何耦合响应提供了独一无二的机会。其中，高层大气（热层/电离层）的响应尤为剧烈，会产生大尺度的“行进式大气波动”（TADs）和显著的温度、成分变化，影响卫星轨道、无线电通信与导航定位。但是，仍有关键科学问题长期悬而未决：日食引起的热层成分和温度变化的全过程、全球尺度图像是怎样的？日食产生的大气波动起源何处？

研究团队为精确模拟日食期间太阳辐射的瞬态变化，构建了基于SDO/AIA观测数据驱动的日食模型（图1），刻画月球遮挡过程中具有真实空间结构的太阳极紫外日冕辐射。结合地球静止轨道上GOLD卫星的独特观测优势，在2023年10月14日环食期间，获取了西半球每半小时一次的全盘面紫外成像数据，如同为地球热层进行连续的“CT扫描”，实现了对地球热层成分（ΣO/N₂）和温度响应的全过程、高时空分辨率监测。观测结果显示，在本影区，热层温度最高骤降约80K，氧原子和氮分子气辉亮度下降超过30%，而ΣO/N₂比值增加约20%，且这些扰动紧随日食阴影移动，清晰呈现了从产生到传播的全球动态过程（图2）。为进一步验证模型可靠性，团队将全大气-电离层耦合模型（WACCM-X）的模拟结果与GOLD卫星的全球观测图像进行逐点、逐时的定量比对，并辅以TIMED卫星的独立观测数据交叉验证。模型能定性再现温度下降和ΣO/N₂上升的变化趋势，但仍存在系统性偏差：模型低估了实际冷却幅度约60K，高估了ΣO/N₂增幅约5%，且模拟的扰动恢复速度慢于实际观测。

图2 日环食期间热层大气成分与温度扰动的时间演变。本图展示了日环食阴影区上空热层关键参数的时间序列：中性大气温度（Tn），温度变化（ΔTn），氧氮柱密度比（ΣO/N₂）以及ΣO/N₂变化（ΔΣO/N₂）

为精准量化不同大气层对日食热层扰动的贡献，研究团队通过控制变量数值实验，像“手术刀”一样精准剥离不同源区的贡献，将日食遮光效应分别单独施加于80公里以上大气（高层源）、80公里以下大气（低层源）以及全大气层。结果表明，低层与高层大气均能产生扰动，但80%–90%的扰动幅度源于80公里以上的高层大气局地冷却过程。具体而言，源于高层的行进式大气扰动强度大、传播快（约550 m/s）、其传播轨迹与日食路径较吻合；而源于低层大气的扰动贡献仅占10%–20%，且出现时间滞后、强度较弱、传播缓慢。这一结果确立了高层大气局地过程是日食期间热层波动的主要“策源地”。

该系列工作揭示了日食期间热层大气成分变化与波动传播的物理图像，并定量厘清了不同大气层对扰动生成的贡献，最终确立了高层大气（热层）的局地冷却是日食热层扰动的主要源区。深化了对日食这一特殊空间天气事件的理解，其揭示的模型系统性偏差（如冷却幅度和恢复速度）也为未来改进全大气-电离层耦合模型的物理参数化方案提供了关键的观测约束和明确方向，从而提升了对空间天气事件的整体模拟和预测能力。

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL119407

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2026GL121716