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科学家揭露了 2024 年 5 月超级风暴的意外驱动因素
尽管 2024 年 5 月的超级风暴期间太阳风异常密集，但太阳风中的离子对环流的贡献很小，这标志着在如此规模的风暴期间首次同时观测到两者。 2024 年 5 月，极光蔓延到远远超出其正常范围的天空，出现在异常低的 [...]
来源:SciTech日报尽管 2024 年 5 月的超级风暴期间太阳风异常密集，但太阳风中的离子对环流的贡献很小，这标志着在如此规模的风暴期间首次同时观测到两者。
2024 年 5 月，极光蔓延到远远超出其正常范围的天空，出现在世界各地异常低纬度的地区。在这些显示器的上方，在地球磁层内部，测量捕捉到了在如此规模的地磁风暴期间从未见过的东西。
当一个巨大的太阳黑子快速释放出一系列强烈的太阳喷发时，风暴就开始了。多个磁化等离子体云在穿过太空时合并，然后撞击地球磁层，该区域由地球磁场主导。由此产生的扰动是在地球环流区域（围绕地球的带电粒子带）直接测量到的最强扰动。
几十年来，研究人员一直在争论有多少环流来自太阳风，有多少来自地球电离层（带电的高层大气）。这两种来源通常都会在地磁风暴期间产生影响，而且由于 2024 年 5 月的事件是由异常密集的太阳风驱动的，一些科学家预计太阳风离子仍然很重要。
相反，直接测量表明它们的贡献很小。地球来源的离子占主导地位的程度是以前在超级地磁风暴中从未观察到的。
发表在《科学进展》上的研究结果表明，地球自身的电离层可能是预测这些极端风暴强度的重要组成部分。由于电离层离子比太阳风携带的粒子重得多，它们的主导地位可能增强了磁扰动，并将环电流峰值推得异常接近地球。这些结果还支持日本拟议的多卫星任务，该任务旨在研究这些离子如何供应到近地空间。
地球自身的离子主导了这场风暴
2024 年 5 月 10 日至 11 日，巨大的带电太阳粒子云袭击了地球磁层。该事件被称为 2024 年 5 月超地磁风暴、“甘农风暴”或“母亲节风暴”，其 SYM-H 指数最低达到了 -518 纳特斯拉。这是自 1981 年以来有记录的第二大值，上一次类似事件是 2004 年 11 月的超级风暴。
“一些超级或极端地磁风暴不仅仅是令人印象深刻的灯光秀，它们还会对航天器造成辐射风险，扰乱 GPS 信号和通信，并导致停电。了解地磁风暴如何发展不仅是一个科学问题，而且会产生现实世界的后果，”名古屋大学空间地球环境研究所 (ISEE) 的主要作者兼指定助理教授 Naritoshi Kitamura 说道。
地磁风暴磁扰动的中心是环流，这是一条巨大的带电离子带，主要是氧和氢，在赤道上空数千公里处围绕地球缓慢移动。这些粒子携带电流，产生磁场，部分抵消地面上地球自身的磁场。这种变化就是地面仪器检测到的风暴磁扰。
Arase 捕获了前所未有的环电流
Arase 穿过环流形成的区域，并携带能够测量单个离子的质量和能量的仪器。在五月风暴期间，它在事件开始后不久就穿过环流，并再次接近峰值。
DOI：10.1126/sciadv.aee1069
日本的 Arase 卫星于 2016 年发射，由日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 运行，旨在直接观测环流。 ERG（Arase）科学中心由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宇宙与宇宙科学研究所（ISAS）和名古屋大学宇宙地球环境研究所共同运营。
“这是在如此大的风暴期间首次同时观测环流离子和太阳风，数据很明确——大约 85% 的离子是来自地球电离层的氧气，”Kitamura 解释道。
“在风暴高峰期附近，Arase 检测到地球上方约 16,000 公里处的磁场强度下降了 40%，并且比之前记录的类似大幅下降更接近地球。”
在同一区域检测到高能电子急剧下降。当磁场如此强烈地减弱时，这些电子可能会偏离其通常的路径。磁场变形是否直接导致观察到的电子损失仍然是一个悬而未决的问题。
预测可能也需要地球大气层
这些测量结果改变了研究人员思考最强烈地磁风暴发展的方式。目前的太空天气预报模型严重依赖太阳风条件，但结果表明，地球大气层内的条件也可能有助于确定风暴的严重程度。
研究结果还强化了 FACTORS 的论证，FACTORS 是为 JAXA 即将推出的提案机会准备的两颗卫星任务概念。 FACTORS 将研究地球大气层中的离子如何逃逸到磁层并滋养地磁风暴，这可能有助于科学家改进对未来风暴强度的预测。
参考文献：《2024 年 5 月超级地磁风暴期间地球附近强烈环流中地源重离子的极端主导》 作者：Naritoshi Kitamura、Kazuhiro Yamamoto、Shoichiro Yokota、Satoshi Kasahara、Ayako Matsuoka、Kazushi Asamura、Yusuke Ebihara、Lynn M. Kistler、Kunihiro Keika、Atsuki Shinbori、Tomoaki Hori、Yoshizumi Miyoshi、Akimasa Ieda、Chae-Woo Jun、Mariko Teramoto、Masahito Nosé、Masafumi Hirahara、Kanako Seki、Nana Higashio 和 Iku Shinohara，2026 年 6 月 26 日，《科学进展》。
这项工作得到了日本科学振兴会科学研究补助金 20H01957（S.Y.、S.K.、K.K. 和 Y.E.）和 25H00684（K.S.）的支持。这项工作得到了名古屋大学研究基金的部分支持。
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