空间天气的系统层面视角：关联太阳驱动因素、地球空间响应与技术影响

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：A system-level perspective on space weather: Linking solar drivers, geospace responses, and technological impacts

　　

• 将太阳驱动因素、地球空间响应与技术影响联系起来。
• 评估太阳耀斑、日冕物质抛射（CME）、太阳质子事件（SEP）以及共转相互作用区/高速太阳风流（CIR/HSS）的地球效应性。
• 考察全球卫星导航系统（GNSS）、卫星阻力、通信和电网的中断。
• 历史上极端空间天气事件揭示了运营和社会脆弱性。
• 强调预报缺口和未来的系统级建模需求。

引言

空间天气涵盖了太阳活动通过物理过程改变行星际空间和近地环境的条件。这些效应始于太阳，向外传播经过行星际空间，最终与地球的磁层、电离层和热层相互作用（Eastwood等，2017；Gopalswamy，2022）。在太阳与地球之间，这些太阳扰动通过日球层演变，其传播、相互作用和磁场结构在很大程度上决定了它们抵达地球后的最终地球效应性。主要的太阳驱动因素包括太阳耀斑、CME、SEP以及与冕洞和共转相互作用区（CIR）相关的高速太阳风流（Pilipenko，2021；Nwankwo等，2020）。

尽管这些驱动因素在物理起源、传播特征和时间尺度上存在显著差异，但它们都将能量、动量和粒子传输到地球空间，通常导致地磁暴和亚暴，从而扰乱近地等离子体环境。

一旦这种能量到达地球，响应通过耦合的磁层-电离层-热层（MIT）系统发展。这些区域紧密相连，因此一个区域的变化往往会影响其他区域。例如，磁层的压缩和磁重联可以驱动大规模等离子体运动。电离层随后可能出现电离度增加以及不规则结构的形成，而热层可能会加热和膨胀（Imtiaz等，2025）。这些耦合过程表现为可测量的地球空间扰动，包括总电子含量（TEC）变化、电离层闪烁、增强的辐射环境和对低地球轨道（LEO）卫星增大的热层阻力（Buzulukova和Tsurutani，2022）。

历史事件清楚地说明了这些影响。1859年的卡林顿风暴仍然是有记录以来最极端的地磁事件，一些研究估计其等效Dst指数低于-850 nT，导致大范围的电报系统中断。更近期的1989年3月地磁暴，其最小Dst约为-589 nT，由于CME引起的强地磁感应电流（GIC），导致魁北克水电电网崩溃（Boteler，2019）。即使是强度较低的事件也可能很重要。2022年2月，一次中等地磁扰动导致新发射的49颗星链卫星中有38颗因大气阻力增加而丢失（Duann等，2023）。这些例子表明，强烈和中等事件都可能产生实际的运营后果。

GNSS系统也会受到电离层变化的影响，尤其是在低纬度地区，这些变化更为常见。这可能导致定位错误和信号丢失。在地面，地磁场快速变化会在电力线等长导体中产生GIC，有时损坏设备或造成大规模停电（Piccinelli和Krausmann，2015；Pirjola等，2005）。活动增强期还可能影响通信系统，包括高频（HF）无线电和航空导航。最终，现代社会对卫星导航、通信系统和电力基础设施日益增长的依赖性，使空间天气从一个科学问题升级为一个重要的运营和政策挑战。经济评估表明，严重地磁暴可能根据事件强度和持续时间造成数十亿至数万亿美元的损失（Hapgood，2018；Oughton等，2017）。

尽管在观测和建模方面取得了进步，空间天气预报仍然具有挑战性。完全捕获风暴时电离层行为、热层密度变化和辐射带动力学是困难的（Eastwood等，2017）。这些局限性促使持续努力改进基于物理和数据驱动两种预测系统。

以前的研究探讨了系统的特定组成部分。例如，Xue等（2024）回顾了空间天气对航空、航海和铁路系统的影响。然而，该综述未能充分将地球空间指标与特定行业的运营决策阈值结合起来。Knipp等（2016）研究了空间天气对通信的影响，主要涉及无线电中断、蜂窝电话和卫星导航。然而，该研究未能追踪从太阳起源到技术终点的因果链。Liu等（2023）和Laundal等（2025）研究了电离层电导率对磁层-电离层耦合的影响。该研究表明，来自电离层的反馈在全球电动力学中起着重要作用。然而，它没有考察这对热层或任何技术相关影响的影响。Paul等（2025）研究了2024年10月风暴的全球电离层响应。该研究结合了COSMIC-2、Swarm和地面数据源的更广泛视图。然而，它主要单独考察电离层响应，没有充分考虑它们与磁层的联系或如何可能影响GNSS或电网等系统。Mao等（2025）展示了机器学习如何帮助电离层时空建模，显示出对TEC变化的更好预测。然而，由于有限的物理意义，这些方法仍然面临挑战，且在地磁暴期间精度下降。

与以前分别讨论太阳爆发、地球空间扰动或技术影响的综述不同，本综述发展了一个统一的系统级框架，明确地将太阳驱动因素特征、地球空间响应指标和多个技术行业的运营影响阈值联系起来。本综述还综合了太阳活动周期25的最新发现，并确定限制预测能力的关键观测和建模缺口。

Georgoulis等（2024）对太阳高能事件预测进行了彻底分析，主要关注太阳耀斑、CME和SEP事件以及相关预报技术。另一方面，当前综述采取了更全面的系统级方法，追踪从太阳驱动因素通过日球层传播和耦合磁层-电离层-热层响应到运营阈值和技术后果的链条。本研究的主要贡献是：（1）开发了一个连接太阳驱动因素参数、地球空间响应指标和运营影响的系统级框架。（2）基于其地球效应性、响应时间和技术后果对主要太阳驱动因素进行比较评估。（3）定量综合历史空间天气事件以识别物理驱动因素与社会影响之间的关系。（4）评估当前预报能力和局限性，包括基于机器学习预测的最新进展。（5）确定限制运营预报的主要观测缺口、建模缺陷和未解决的科学问题。

方法

本研究采用系统级综合评审方法论，结合定量分析和案例研究评估。它综合了太阳驱动因素的物理机制及其地球空间响应，定量表征了驱动因素参数和影响，并评估了预报模型。历史极端空间天气事件被用来验证该框架。该方法强调太阳、磁层、电离层和技术领域之间的耦合。

空间天气的太阳驱动因素

行星际驱动因素在物理特征、传播时间和地球效应性方面存在显著差异，在地球磁层中产生不均匀的扰动。因此，量化不同驱动因素参数如何调节地球空间响应是建立统一预测框架的先决条件。

地球空间响应

当太阳扰动到达地球时，其效应通过磁层、电离层和热层中一系列紧密关联的过程展开。这些区域并非孤立地响应，而是作为一个耦合系统响应。磁层作为主能量库，首先储存和重新分配传入能量；电离层通过电流和等离子体结构变化快速反应；热层则通过加热和密度变化更缓慢地响应。

地球空间指标之间的耦合

虽然空间天气指标通常被单独研究，但它们在耦合的MIT系统中深度关联。例如，强烈的南向IMF事件将更多能量注入磁层，触发增强的地磁活动（Dst、Kp）、热层加热和电离层变化。因此，TEC波动、热层密度增加和磁暴同时发生。理解这些跨系统联系对于构建未来预报模型至关重要。

空间天气的技术影响

技术中断代表了日地空间天气链的最终阶段。虽然太阳扰动在科学上是可测量的，但它们只有跨越关键运营限制时才会引起实际问题。因此，将科学观测转化为实际风险评估，需要清楚了解地球地球空间环境如何与现代技术相互作用。本节探讨地磁活动波动、电离层和辐射环境的变化如何影响技术系统。

日地耦合

日地耦合指的是一系列物理过程，其中太阳扰动在行星间空间传播，与地球磁场相互作用，并导致技术效应。虽然该过程的每个部分都已得到充分研究，但仍有必要充分理解太阳因素、地球响应和由此产生的影响之间的联系。建立这些联系对于从基础空间天气研究转向全面预报和风险至关重要。

主要空间天气事件的历史案例研究

历史记录提供了清楚证据，表明太阳活动、地球空间扰动和技术影响之间的联系已得到充分建立。几个重大事件展示了这些过程如何转化为实际后果。

卡林顿事件（1859年）

1859年9月1日至2日的卡林顿事件被广泛认为是记录历史中最极端的空间天气事件。它始于一场强烈的白光太阳耀斑，随后是一场快速移动的ICME，在...到达地球。

运营空间天气能力

监测系统

空间天气事件与显著的经济影响相关，估计年度损失超过1亿美元（Maynard，1995）。有效的预报依赖于对太阳活动的持续监测，因为大多数扰动源自耀斑、CME和冕洞（Hochedez等，2005）。

太阳观测侧重于太阳的不同层次，包括光球和日冕，使用SDO、STEREO和帕克太阳探测器等任务。这些提供了...

研究缺口、未解决的问题和未来方向

观测和建模缺口

尽管在太阳、日球层和地球空间研究方面取得了重大进步，但几个关键缺口继续限制对空间天气作为完全耦合的日地系统的全面理解。许多这些挑战源于跨越连接太阳活动与技术影响的全过程链的观测局限性。在行星际空间，对CME磁场结构和爆发动力学的直接测量仍然...

结论

空间天气是一种耦合的日地系统现象，由太阳活动驱动，并通过跨越日球层、磁层、电离层和热层的过程表现出来。本综述发展了一个系统级框架，将太阳驱动因素、地球空间响应、运营阈值和技术影响在整个日地系统中联系起来。本综述不是将太阳爆发、地磁扰动、电离层变化和技术影响视为单独的事件，而是...

作者贡献声明

Geto Kassa Setegn：原创论文撰写、监督、概念化。Tikuye Haile Birhan：验证、方法论。Efrem Amanuel Data：论文审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

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