使用多尺度大气地空环境模型研究甘农风暴中的焦耳加热

《Journal of Space Safety Engineering》：Study of Joule heating over Gannon storm using multiscale atmosphere geo-space environment model

　　

摘要

由地磁活动驱动的电离层焦耳加热是空间天气中的关键机制，影响着电离层的成分和密度。在本文中，我们评估了全球模拟产生的焦耳加热与观测数据导出的经验结果之间的匹配程度。为此，我们首次使用多尺度大气地球空间环境（MAGE）模型以及基于极光电喷（AE）/超级磁电喷（SME）或极盖（PC）的经验模型，对2024年5月10日甘农特大磁暴（G5级）期间进行焦耳加热的统计评估。MAGE的焦耳加热率与由AE/SME和PC指数导出的焦耳加热之间显示出高度相关性。比较分析表明，MAGE与基于PC的估计值的关联性比与AE/SME估计值的关联性更强，而SME数据由于其高纬度覆盖范围，比AE数据提供了更准确的焦耳加热率。这些结果表明，MAGE在严重地磁事件期间提供了焦耳加热时间演变的可靠估计。

引言

地磁暴是由强烈的太阳活动引起的复杂过程，对空间天气产生不利影响[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。地磁暴根据SYM-H和Kp指数进行分类。基于SYM-H的分类包括中等磁暴$(?100nT<$SYM-H$<?50nT)$、强磁暴$(?250nT<$ SYM-H$<?100nT)$以及特大磁暴（SYM-H $<?250nT)$）[7]。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）定义了一个基于Kp的等级标尺，包括G1（轻微，Kp = 5）、G2（中等，Kp = 6）、G3（强，Kp = 7）、G4（严重，Kp = 8）和G5（极端，Kp = 9），(https://www.swpc.noaa.gov/noaa-scales-explanation)。在这些磁暴中，G5级磁暴极其强烈，通过焦耳加热改变电离层的成分、温度和全球环流，导致卫星故障和轨道偏移[8]、[9]、[10]。它在地面电力输送线上产生电流，导致停电，中断高频无线电通信系统，并扰乱全球导航卫星系统（GNSS）的精度[11]。2024年，G5级极端特大磁暴因对数千颗卫星造成了严重的轨道阻力，为空间安全和空间交通管控带来了新的挑战[12]。这一现象最早出现在5月，伴随5月10日的极端地磁G5级特大磁暴，也被称为甘农磁暴。根据Hayakawa等人（2024）的研究，甘农磁暴被认为是过去500年中排名前20的巨型磁暴之一[11]。与1989年3月SYM-H超过-1600 nT的磁暴（该次磁暴缺乏数据集和测量记录）不同，近期发生的2024年5月10日甘农特大磁暴在太空时代排名为第二强烈地磁暴，其显著特点在于具有可获取的行星际数据。除了卫星阻力外，甘农磁暴还在较低纬度产生了显著的极光活动。极光通常在南北半球${60}^{°}$至${70}^{°}$纬度范围内被观测到，这被称为极光椭圆区或极光纬度[3]，但此次磁暴将极光的可见范围扩展到了印度次大陆的纬度[13]。这类极端的G5级地磁暴事件必须经过彻底研究，以更好地理解空间天气并为未来的磁暴做好准备。

近期的研究广泛探讨了甘农磁暴期间高层大气层的响应。Evans等人（2024）[8]利用NASA GOLD任务观测数据研究了热层大气成分和动力学，而其他研究则利用热层大气-电离层-中间层能量动力学（TIMED）卫星的测量数据考察了一氧化氮（NO）辐射冷却[14]和红外辐射[15]。本研究聚焦于对甘农磁暴期间导出的焦耳加热估计进行评估。焦耳加热是太阳风能量耗散到磁层中的主要机制[16]。在地磁暴期间，太阳风中的带电粒子与磁层相互作用，沉积能量并产生高达数百万安培的电流进入电离层到达地球。当带电粒子的动能增加时，电离层中的带电粒子与热层中的中性粒子相互作用[10]。这些相互作用将动能转化为热能，总是导致焦耳加热。通过这一过程，地磁暴产生局部加热并引起高层大气结构的显著变化[17]。这种焦耳加热以及来自粒子沉降的进一步加热可以提高电离层的总质量密度[18]。低地球轨道（LEO）卫星轨道受到加热引起的电离层密度变化的显著影响，需要对其进行量化。由于每个单独事件取决于不同的太阳风因素，焦耳加热的时间变化可能非常多样。在重大的电离层扰动期间，焦耳加热增加并表现出急剧的时间变化[19]。已有大量研究通过各种方法量化了焦耳加热的速率[20]、[21]、[22]、[23]。我们可以通过全球磁流体动力学（MHD）模拟、基于PC的模型、基于Kp的模型和基于AE的模型来确定平均焦耳加热率[24]。如果某些MHD模拟被用于空间天气预测，它们可能会根据模拟条件高估或低估其输出，因此了解全球模拟产生的焦耳加热与基于观测的经验预测之间的匹配程度至关重要[25]。本研究旨在研究MAGE（多尺度大气地球空间环境）模型的模拟焦耳加热，以及甘农磁暴期间基于AE和PC的经验模型导出的焦耳加热。本研究采用基于特定事件的方法，因为像甘农磁暴这样的极端磁暴相对罕见，它们为评估极端条件下模型的行为提供了机会。

章节摘要

MAGE模型

MAGE是一种新开发的磁层和电离层耦合系统建模框架[19]。它由用于磁层的网格无关MHD扩展研究应用（GAMERA）和用于环电流的Rice对流模型（RCM）组成，并与用于高层大气的热层-电离层电动力学环流模型（TIEGCM）以及辐射地球科学开发的磁层-电离层耦合器/求解器（REMIX）相连。数据来自CDAWeb OMNI的1分钟分辨率数据

数据

使用MHD模拟模型MAGE，我们估计了甘农磁暴期间的Pedersen电导率和焦耳加热（https://ccmc.gsfc.nasa.gov/simulations/）。模拟输出由社区协调建模中心（CCMC）数据库生成，而NASA的OMNI2数据库（http://omniweb.gsfc.nasa.gov）服务提供了太阳风输入。具体而言，我们使用了MAGE模型版本CCMC 0.75.3。活动磁层和行星电动力学响应实验（AMPERE）提供了全球地图

甘农磁暴——成因与影响

2024年5月8日起，太阳活动区AR3664产生了一次X1.0级耀斑以及其他M级耀斑[36]、[37]。除这些强烈发射外，该区域还释放了多次日冕物质抛射（CME）。这些CME于2024年5月10日到达地球，引发了强烈的地磁暴，始于17:00 UT，导致南北半球在不寻常的低纬度地区观测到极光[11]。其南向分量（与地磁场对齐）低至$?50$ nT，

MAGE与经验模型之间的相关性研究

高纬度电离层电导率增强（如Pedersen电导率），连同对流电场，影响着焦耳加热。因此，MAGE的焦耳加热预计将表现出与Pedersen电导率和场向电流（FAC）相似的时间变化。FACs也称为Birkeland电流，在磁层-电离层耦合中起着核心作用[43]。它们的大尺度特征受太阳风和行星际磁场（IMF）条件控制。在电离层极光

推论

本研究通过将全球MAGE模拟的焦耳加热估计与使用地磁指数（AE、SME和PC）在极端地磁驱动下经验模型的焦耳加热估计进行比较，检验了MAGE模拟焦耳加热估计的可靠性。我们发现，MAGE能够在极端条件下提供焦耳加热时间变化的可靠估计。我们比较的可靠性取决于经验模型，这些指数已在先前研究中与观测数据进行过验证，

作者贡献声明

Sherin Ann Abraham：概念化、形式化分析、资金获取、调查、方法论、软件、验证、初稿撰写。S. Antony：指导、验证、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

Sherin Ann Abraham|S. Antony