极区焦耳加热主导地磁暴期间近地卫星轨道衰减并提供最长约3小时自然预报窗口

《Scientific Reports》：Hour-scale response of low-Earth-orbit satellite altitude to extreme geomagnetic storms revealed by the NinjaSat CubeSat during the 2024 solar maximum

　　

摘要

极端地磁暴通过膨胀热层加速近地轨道卫星的轨道衰减，但太阳风能量转化为大气加热的小时尺度过程却知之甚少。我们利用"忍者卫星"（NinjaSat）立方星的GNSS接收机（\(\sim 500\) km，\(97^\circ \) 太阳同步轨道），追踪了2024年太阳活动高峰期的轨道高度变化，并将两次最大地磁暴期间的轨道高度变化率与地磁指数进行了互相关分析。经EUV校正后的残差与极盖指数（PC指数）的相关系数为\(r\gtrsim 0.8\)，PC指数领先或同步于响应，超前时间最长可达\(\sim 3\) 小时，极光电流指数AE和AL也呈现类似特征。该残差与Dst指数也呈正相关（\(r\approx 0.82 - 0.84\)），但轨道高度下降早于Dst最低值约\(\sim 3\) 小时，这表明两者归因于共同的太阳风驱动因素，而非环电流加热效应。XRISM卫星（\(31^\circ \)，\(\sim 560\) km）观测表明，2024年5月地磁暴引发的密度增强已波及低纬度地区，但2024年10月则未出现此现象，这与在峰值强度相当的情况下极光电流持续时间更短的情况一致。因此，极区焦耳加热（由PC指数表征）是地磁暴期间轨道阻力的主要驱动因素，其提供的自然预报时间窗口最长可达\(\sim 3\) 小时。