利用基于物理的电离层模型以及基于等离子体电子含量自适应估计的电离层层析成像技术，对2024年4月8日日全食期间出现的电离层异常现象进行了分析

《Advances in Space Research》：Analysis of Ionospheric Anomalies during the April 8, 2024 Total Solar Eclipse Using Physics-Based Ionospheric Models and an Ionospheric Tomography Technique based on Adaptive Estimation of the Plasmaspheric Electron Content

日全食期间电离层三维结构及中性风输运机制研究，利用GNSS-VTEC和CIT-AEPEC重建三维电离层电子密度，结合TIEGCM揭示中性风输运与极光区效应，发现等离子体层电子含量受背景密度稀薄影响变化较小。

　　

周文成|郑敦勇|何长勇|叶飞|姚一斌|陈春华

湖南科技大学地球科学与空间信息工程学院，湘潭411201，中国

摘要

日食会影响地球的太阳辐射，进而影响电离层，触发地球物理效应，揭示太阳环境与地球环境之间的耦合作用。本研究利用GNSS测得的垂直总电子含量（VTEC），以及通过CIT-AEPEC（基于自适应估计的等离子体层电子含量的电离层层析成像技术）重建的3D电离层电子密度（IED）和等离子体层电子含量（PEC），研究了2024年4月8日全日食对电离层和等离子体层的响应。此外，还采用了热层电离层电动力学通用环流模型（TIEGCM）和SAMI3模拟来阐明这些扰动的物理机制。主要发现如下：（1）电离层探测仪观测到特征参数显著减少。重建的3D IED显示了明显的时间延迟和高度依赖性变化；此外，还发现了日食引起的水平方向上的IED不规则性。（2）TIEGCM模拟显示，在全日食区域存在明显异常，其特征是中性风传输和双极扩散的趋势与部分日食区域相反。这些不规则性源于日食路径两侧中性风模式的相反、双极扩散方向的时间变化以及地磁场的曲率。此外，还发现了一种由日食引起的“倒灌”效应。值得注意的是，日食引起的扰动延伸到了对侧的南半球，并表现出显著的持续性。（3）CIT-AEPEC的估计和SAMI3模拟表明，尽管在日食期间等离子体层底部有向下流动以补充电离层，但PEC基本未受影响。这归因于等离子体层背景密度的稀薄和等离子体层过程的长时间尺度。

引言

日食是一种天文现象，月球在地球和太阳之间直接经过时遮挡了太阳。作为近地空间环境的主要能量来源，太阳对地球的大气和电离层条件有着重要影响。在日食期间，由于月球遮挡太阳导致太阳辐射暂时减少，从而影响了太阳-地球环境。这一现象为研究日食期间电离层中发生的复杂能量-物质交换过程提供了宝贵的机会。同时，由于电离层是无线通信和导航信号的主要传播介质，研究其对日食的响应可以提高导航精度，阐明电离层的光化学和动力学模式，并加深我们对太阳-地球空间物理学的理解。

20世纪30年代首次认识到日食期间电离层的异常扰动。Rishbeth等人（1968年）报告称，日食期间电离层的IED变化非常复杂，受到光化学反应和各种动态传输过程的影响。通常情况下，日食期间IED会显著减少，事件结束后会显示出恢复的迹象。这些扰动的特征在不同位置有所不同，其中扩散过程对中纬度的F2区域影响较大。此外，电离层对日食的响应并不严格限于光学遮挡期；相反，异常现象可能出现在日食期间和日食之后。显著的变化（如电子含量的最大减少）通常会在日食最大值之后的一段时间内发生。这些变化的范围和时间受到日食几何形状、当地时间、高度以及同时发生的物理机制的复杂相互作用的影响（Stankov等人，2017年）。

近几十年来，人们广泛研究了电离层对空间天气事件的响应，数据来源于多种来源，包括电离层探测仪、非相干散射雷达（ISR）、全球导航卫星系统（GNSS）和低地球轨道卫星（例如，Le等人，2008年；Coster等人，2017年；Pradipta等人，2018年；Goncharenko等人，2018年；Nayak和Yi?it，2018年；Li等人，2024年；Li等人，2025年）。Kumar等人（2013年）使用GPS接收器和COSMIC卫星观测数据，研究了2009年7月22日全日食期间印度地区不同遮挡位置VTEC和IED的响应。研究发现，不同位置的VTEC衰减程度不同，最大衰减发生在最大遮挡之后2-15分钟。COSMIC卫星数据显示，100至800公里范围内的IED减少了100%至800%，其中360公里处的最大减少量为48%。He等人（2018年）使用3D层析成像技术研究了2017年美国的大日食，发现大约200公里高度处的电子密度大幅减少，F区域减少了约50%。Verhulst和Stankov（2020年）强调，要可靠地解释电离层的响应，需要考虑日食的完整三维几何形状，特别是日食路径的高度依赖性变化。

除了多仪器观测外，还使用数值模型来研究日食期间电离层和热层的变化及物理过程，为多次观测提供了必要的补充。已有研究表明，日食期间电离层和热层的相互作用伴随着复杂的等离子体动力学过程（Ridley等人，2006年；Le等人，2009年；Dang等人，2018年；Wu等人，2018年）。已经开发了几种物理模型来解释日食期间引起电离层扰动的光化学和动力学过程。Le等人（2009年）使用电离层探测仪网络和中低纬度电离层理论模型研究了1999年8月11日全日食期间的电离层响应。模型中重建了一个日食因子，以更准确地模拟日食效应，结果发现模拟结果与E区和F1区的观测结果基本一致。Dang等人（2018年）使用TIEGCM确定，与日食引起的行进大气扰动（TADs）相关的热层风传输过程导致了日食后的TEC增强。该研究还检测到日食期间电场和等离子体漂移的显著变化。Wu等人（2018年）使用全球电离层热层模型（GITM）研究了2017年8月21日全日食，发现日食后的IED增强是由于风场变化导致的O/N₂增强。Wang等人（2019年）使用TIEGCM模拟了电离层F2区域对日食的响应，并定量描述了日食引起的动力学过程对离子传输的作用。

目前，关于电离层对日食的三维响应的研究仍然有限。虽然Aa等人（2024b）和Le等人（2024年）的最新研究使用多仪器观测和层析成像技术描述了日食引起的初始增强和减少现象，但这些3D变化的潜在物理机制尚未得到全面阐明。在这项工作中，我们采用了Yuan等人（2024年）提出的CIT-AEPEC算法来重建3D电离层结构。通过将这些层析结果与TIEGCM模拟相结合，我们研究了控制电离层的垂直和水平扰动机制。具体来说，我们对不同遮挡率下的动态响应进行了定量和定性分析，并检查了非日食对侧区域的扰动。此外，利用CIT-AEPEC得到的PEC和SAMI3模型的模拟结果，我们探讨了日食期间电离层-等离子体层耦合的等离子体传输过程。

数据介绍

数据介绍

2024年4月8日，北美地区发生了一次罕见的全日食。日食带从东太平洋延伸到西北大西洋，影响了墨西哥、美国和加拿大的部分地区。如图1所示，研究区域覆盖了北纬30°至50°、西经80°至100°的范围内。此处报告的实验使用了研究区域内166个GPS站的数据。为了研究不同遮挡程度下电离层的响应，进行了

电离层特征参数的响应特性

图3显示了两个电离层探测仪在日食期间观测到的电离层foE、foF2和hmF2的时间依赖性变化。可以看出，AL945探测到的foE在日食开始后约40分钟达到最大减少幅度31.8%，并在全日食结束时开始恢复。AU930探测到的foE也显示出明显的减少，但最大减少幅度为10.7%，低于AL945。此外，日食结束后

讨论

在以下部分，我们系统地回顾了我们的观测和模拟结果的特征，总结了不同最大遮挡率区域的电离层变化模式。此外，我们将我们的发现与以往的研究进行比较，并讨论了日食期间PEC变化微小的潜在物理机制。

我们的分析表明，虽然电离层减少的程度通常与

结论

在这项研究中，我们使用电离层特征参数VTEC和CIT-AEPEC重建的3D IED，研究了2024年4月8日全日食对电离层的响应。同时，利用TIEGCM阐明了控制这些响应的物理机制。最后，我们利用CIT-AEPEC得到的PEC和SAMI3模型的模拟结果，研究了日食期间电离层-等离子体层系统内的传输过程。

未引用的参考文献

Huba等人，2020年；Huba和Drob，2017年；Li等人，2025a；Li等人，2025b；Li等人，2025c；Lü等人，2023年；Rishbeth，1968年；Wen等人，2021年；Weimer，2013年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号42004025、42204037）、湖南省自然科学基金（编号2024JJ5142、2024JJ8329、2025JJ80027）、湖南省自然资源厅研究基金（编号20240105CH）、湖南省科技创新计划（编号2023RC3217）以及湖南省教育厅研究基金（编号25B0437）的支持。