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地磁日变化及电离层电流对2020年6月21日日环食的响应

来源:中国地震局地球物理研究所 发布时间:2022-06-28

根据安培定律电离层电流引起的地面地磁变化可检测日食期间的电离层电动力学过程。由于观测的缺乏,以往对日食地磁效应的研究集中在一个或几个地磁台站所在范围,使得日食地磁效应的纬度及地方时变化特征及其对应的电离层电动力学过程未得到充分地研究。发生在2020年6月21日的日环食事件主路径穿过中国境内恰为白天时段,加之中国地震局地球物理研究所地磁台网以及国际地磁台网的区域高密度观测为这一问题的研究提供了很好的机会。

地球物理所刘晓灿等利用中国及其周边地区的地磁台观测研究了2020年6月21日日环食事件的地磁日变化日食效应的纬度和地方时依赖性,分析了电离层电动力学过程,结果得出:

1. 日食整体上减弱了地磁日变化各分量的强度。其中南北分量ΔX的效应有明显的纬度依赖性,即在Sq电流涡中心以下纬度强度下降显著,以上纬度略弱,而在电流涡中心附近ΔX的日食效应几乎不存在。此外,随着纬度的降低,且日食遮盖率增加的时候,东西分量ΔY 的效应增强(见图1上图)。

2. 沿着日食主路径由午前到下午时段ΔY的日食效应呈现出地方时依赖特征(见图1下图);而ΔX分量的日食效应随地方时的变化没有ΔY的规律,大致为午前到下午较早比下午较晚时段的要强。垂直分量ΔZ的日食效应较弱,主要出现在主路径上下午较早时段。

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图1. (上图)I号经度链的5个地磁台站(约78°E)观测到的地磁日变化三分量日食效应的纬度依赖性,(下图)日食主路径(遮盖率大于90%)上6个地磁台观测到的地磁日变化三分量日食效应的地方时依赖性。(其中红色为日食当天,黑色曲线和灰色阴影为该月5天磁静日平均及其上下一倍均方差,黄色条为该台的日食时段。)

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图2. TIEGCM模型模拟日食最大相时刻的全球日变化三分量及电离层水平电流。(从上到下各行依次为ΔX、ΔY和ΔZ以及电离层水平东向电流Je、水平南向电流Js,从左到右三列为无日食、有日食和二者差值)

 

3. 全球电离层-热层耦合模型模拟(见图2)证实了观测结果,表明日食遮盖过程产生的电离层电流形态与背景Sq电流相反,因此减弱了地磁日变化的强度。

本研究创新之处:使用观测及模型较系统地给出了日食地磁效应随地方时和纬度的依赖性,在日食地磁效应研究中尚属首例;使用观测及模型分析了日食期间电离层电动力学响应过程,给出了日食引起的电离层电流的形态特征。

研究成果增加了对日食-电离层电动力学过程-地磁研究的新认知,为深入理解电离层发电机过程及其对应的地磁日变化活动增加了新的理论研究基础。

研究成果2022年发表于学术期刊《Journal of Geophysical Research: Space Physics》(2.811),由中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划(YSBR-018)、国家自然科学基金项目(41831070、41974083和42188101)以及中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项项目 (DQJB20B26)共同资助。

【作者简介】

刘晓灿,女,理学博士,2008年毕业于中国科学院地质与地球物理研究所,主要从事地磁学理论及地震地磁现象研究。