《Atmosphere》：Effects of the Geomagnetic Storm on the Ionosphere on 1 January 2025: A Comparative Analysis of Data from Learmonth and Wake Island
编辑推荐：
本研究考察了2024年12月25日至2025年1月7日期间南、北半球电离层的响应。2025年1月1日，在2024年12月29—31日及2025年1月1日连续太阳风喷发之后，发生了一次强地磁暴。全球地磁活动监测数据显示，Kp指数骤升至8+，表明此次强地磁暴的发生
本研究考察了2024年12月25日至2025年1月7日期间南、北半球电离层的响应。2025年1月1日，在2024年12月29—31日及2025年1月1日连续太阳风喷发之后，发生了一次强地磁暴。全球地磁活动监测数据显示，Kp指数骤升至8+，表明此次强地磁暴的发生。通过分析澳大利亚Learmonth（?21.8° N, 114.1° E）以及Wake Island（19.29° N, 166.65° E）的电离层测高仪（ionosonde）、全球导航卫星系统总电子含量（GNSS-TEC）和卫星原位探测（in situ detection）数据，研究人员发现两地电离层异常呈现出不同模式。Learmonth地区的电离层参数变化明显强于太平洋区域Wake Island。相对于正常条件，2025年1月1—3日期间Learmonth上空受扰电离层表现出强负相暴：foF2下降31.4%，总电子含量（TEC）下降27.17%，M3000F2下降41.2%，而hmF2上升5.2%。该研究对2024年末地磁暴影响下南、北半球电离层差异进行了分析。这些结果表明，在电离层动力学模型中纳入半球不对称性具有必要性。
该文发表于《Atmosphere》，聚焦2024年末至2025年初强太阳活动背景下地磁暴对低纬电离层的半球差异性影响。研究背景在于，地磁暴是空间天气中最关键的灾害性过程之一，可通过磁层—电离层—热层耦合显著改变电子密度结构、总电子含量（TEC）以及无线电传播环境，进而影响全球导航卫星系统（GNSS）、短波通信和空间运行安全。尽管既往研究已经揭示地磁暴期间电离层可呈现正相或负相扰动，也认识到季节、地方时、经度和纬度会共同调制响应特征，但针对绝对纬度相近、分别位于南北半球低纬地区的个例对比研究仍然不足，尤其是关于热层成分变化、穿透电场（PPEF，penetration electric field）与电离层结构重构之间的协同作用机制，还缺少具有针对性的观测证据。因此，开展本研究的意义在于利用一次典型强地磁暴事件，比较南北半球低纬电离层在相似纬度条件下的差异响应，为认识半球不对称性提供事实依据，并为电离层动力学模型改进提供观测支撑。
研究人员选取了2024年12月25日至2025年1月7日的连续观测时段，围绕2025年1月1日发生的强地磁暴，系统分析澳大利亚Learmonth与Wake Island两站电离层变化。论文指出，此次地磁暴发生在连续M级与X级太阳耀斑以及太阳风活动增强之后，Kp指数在1月1日15:00—18:00达到8以上，显示出明显的强暴特征。研究通过对foF2、hmF2、M3000F2、TEC以及TEC变化率指数（ROTI）等参数的联合分析发现，两站响应强度存在显著差异：Wake Island整体接近平静背景，而Learmonth则出现显著负相电离层暴。进一步结合热层[O/N2]比值和纬度—高度电子密度（Ne）剖面，研究人员认为，南半球夏季背景下的热层成分输运与PPEF调制共同作用，是造成Learmonth显著受扰而Wake Island相对稳定的关键原因。论文的重要意义在于表明，低纬地磁暴响应不仅取决于电离层抬升是否发生，更取决于抬升效应与低层电子密度损失之间的平衡；同时强调在跨半球、跨季节电离层研究中，不能忽略热层背景态和半球季节差异。
就主要技术方法而言，研究人员采用了多源观测联合分析框架。样本来源为GIRO数据中心提供的Learmonth与Wake Island电离层测高仪数据、IGS数据中心的IONEX全球TEC数据、GUVI反演的全球[O/N2]比值资料，以及SPDF提供的行星际电场IEFy数据，并辅以Space Weather Live太阳活动与Kp监测信息。方法上，首先对foF2、hmF2、M3000F2与TEC进行时序比较和日中值分析；其次利用GNSS数据计算斜向总电子含量（STEC）、垂直总电子含量（VTEC）以及ROTI，以识别扰动强度；最后结合[O/N2]空间分布和Ne纬高剖面，解释热层成分变化与PPEF对两站电离层响应差异的调制作用。
在结果部分，论文首先以“Occurrence of Geomagnetic Storms After Intense Solar Activity”为题，说明此次地磁暴的太阳活动背景。太阳表面在2025年1月3日前后存在大面积黑子区，2024年12月底以来太阳活动显著增强，多个M级和少量X级耀斑连续出现，并最终触发1月1日的强地磁暴。Kp指数在1月1日15:00—18:00升至8级以上，构成后续电离层异常分析的空间天气背景。
在“Solar Activity Intensity and Earth Monitored Kp Index Values”部分，研究进一步利用2024年12月和2025年1月的太阳活动强度变化图与Kp指数变化图，展示了太阳耀斑频次增加与地磁活动增强之间的对应关系。结果表明，12月28日后太阳活动持续增强，大量M级耀斑和少量X级耀斑接连发生，最终在2025年1月1日对应一次极强地磁暴。这一部分主要通过太阳活动监测和全球地磁指数分析，确立事件驱动源来自强太阳活动及其后续太阳风输入。
在“Global Ionospheric TEC Variations”部分，研究人员分析了全球电离层TEC分布在地磁暴前、暴时和暴后的变化。结果显示，由于季节差异，北半球处于冬季、整体TEC偏低，南半球处于夏季、整体TEC较高。1月1日地磁暴期间，全球TEC分布表现出明显经向不对称性，Learmonth所在区域TEC相对于12月26日正常状态出现大范围降低，而到1月5日暴后又明显恢复；Wake Island在整个风暴阶段则未见显著变化。进一步采用相对平静日的ΔTEC分析发现，Learmonth在1月1日几乎整个风暴时段均处于零线以下，并在约03:00 UT达到约?30 TECU的最低值；Wake Island的ΔTEC则主要在零线附近振荡。尽管Wake Island绝对波动可达±10 TECU，但其背景TEC约为37 TECU，因此相对变化有限；相比之下，Learmonth背景TEC仅约7 TECU，绝对变化虽较小却对应更大相对幅度，说明其电离层扰动更为剧烈。
在“Variations on Wake Island from 25 December 2024 to 7 January 2025”部分，研究通过Wake Island电离层测高仪数据分析foF2、hmF2、M3000F2和TEC在整个观测时段内的演变。结果显示，在此次地磁暴影响下，Wake Island各电离层参数并未表现出明显异常，无论是参数曲线变化还是日中值统计，都与平静背景状态基本一致。这表明在与Learmonth绝对纬度相近的北半球低纬地区，此次地磁暴并未造成显著电离层结构重组。
在“Ionospheric Parameter Variations in Australia from 25 December 2024 to 7 January 2025”部分，Learmonth的结果与Wake Island形成鲜明对比。研究显示，受地磁暴影响，Learmonth地区foF2、M3000F2和TEC均显著下降，而hmF2相对正常状态上升。定量结果表明，foF2下降31.4%，M3000F2下降41.2%，hmF2上升5.2%，TEC下降27.17%。这些结果表明，南半球Learmonth出现了典型且强烈的负相电离层暴。进一步基于5 min滑动窗口计算的ROTI时间序列显示，Wake Island仅在1月1日下午出现短暂TEC波动，ROTI总体仍保持类似平静期的高低交替模式；而Learmonth自1月2日起至1月3日出现持续而强烈的ROTI起伏，且波动前后均为低ROTI值，说明强扰动过程具有明确时段性，并与其TEC异常变化一致。
在讨论部分的“Spatial Distribution of [O/N2] During Quiet and Disturbed Conditions”中，研究人员比较了两站在平静日与受扰日的热层[O/N2]比值变化。结果显示，平静条件下两站[O/N2]均较稳定，但Learmonth因季节背景其值始终低于Wake Island。地磁暴期间，Learmonth的[O/N2]出现显著波动并明显下降，而Wake Island仅表现为轻微变化。时间序列进一步表明，Learmonth在风暴前维持约0.6的稳定基线，但在1月1日前后迅速下降至0.25；Wake Island则始终保持在约0.7以上。该结果说明，热层成分响应存在显著半球不对称性，Learmonth受风暴增强环流影响更强，低[O/N2]空气团更易输送至该区域，从而加强电子复合损失。
在“Role of the Penetration Electric Field (PPEF)”部分，研究重点考察穿透电场对hmF2与电子密度结构的调制。IEFy在1月1日09:00—18:00 UT期间为正，表明存在PPEF。Learmonth的hmF2在IEFy为正期间出现明显抬升，而Wake Island的hmF2响应更复杂，表现为先小幅升高、后迅速下降、再度上升、最后回落。论文指出，这种差异至少部分与局地中性风作用有关。在Wake Island，指向极地的中性风可能暂时抵消了穿透电场驱动的向上E × B漂移，因此在约14:00 UTC出现hmF2骤降；而Learmonth的hmF2抬升则与东向电场驱动的向上漂移一致。进一步分析15:00—18:00 UT的纬度—高度Ne剖面发现，Learmonth上空约450 km处出现尖锐高峰，表明PPEF导致显著电离层抬升；但在250—350 km低高度范围内，大面积低密度区出现，低纬赤道电离异常（EIA）特征几乎消失，显示出严重电离层侵蚀。Wake Island虽然也有较弱峰值，但250—350 km低层电离层仍保持连续结构，未见明显低密度蚀空区。由此可见，Learmonth的净TEC下降并非单一过程所致，而是电离层抬升与低O/N2空气增强复合损失共同作用的结果；Wake Island由于抬升较弱且未受到低O/N2空气输运影响，因此TEC保持稳定。
论文讨论指出，经典中纬度机制认为夏季向赤道环流易导致负相暴、冬季相反环流易导致正相暴，但这一机制不能被直接套用于约20°低纬站点。不过，季节性热层背景条件的半球不对称性依然至关重要。此次事件中，南半球正值夏季，风暴增强环流与太阳驱动环流共同形成强烈向赤道风，将极光区低O/N2空气输送至Learmonth，使其[O/N2]显著下降并增强250—350 km高度范围的电子复合，导致低层Ne减少；同时PPEF又造成高空电离层抬升，两种过程叠加最终表现为强烈负相TEC响应。Wake Island位于北半球冬季，在背景极向风作用下，低O/N2空气难以输送到该站，因此即便存在一定电场效应，也未出现显著净损失。这一讨论强化了作者的核心观点，即低纬地磁暴期间的净TEC变化，是抬升效应与电子密度损失平衡关系的体现。
研究结论部分可概括并翻译为：强太阳活动向行星际空间释放大量能量，当这些能量输入地球后，会扰动大气—电离层系统并触发地磁暴。地磁暴期间，上层大气中的粒子沉降与电磁能量注入可改变中性成分密度，进而影响电离层电离程度与自由电子分布均匀性，导致电离层闪烁与传播延迟。2024年12月底以来的强太阳活动在2025年1月1日触发了一次强地磁暴，其TEC分布和电离层扰动程度具有显著区域差异。南半球澳大利亚Learmonth地区表现出强烈扰动，foF2、M3000F2与TEC显著下降，而hmF2升高；北半球Wake Island受影响较弱。尽管经典中纬度机制不能直接解释双低纬站点的差异，但热层背景的季节不对称性仍是关键因素。地磁暴期间，Learmonth所在夏季半球出现显著[O/N2]下降，增强了低层电子复合并使EIA结构消失；Wake Island所在冬季半球则因背景极向风阻止低O/N2空气输运而维持较稳定状态。PPEF进一步调制这一过程：Learmonth虽出现明显高空抬升，但低O/N2效应抵消了抬升带来的正贡献，最终表现为TEC净下降；Wake Island的PPEF抬升较弱，且缺乏低O/N2空气输入，因此TEC基本稳定。总体而言，该研究为理解地磁暴期间低纬南北半球差异提供了新的视角，强调在解释风暴期电离层变化时，需要综合考虑季节不对称性、风暴诱导成分变化以及PPEF调制作用。
