Evaluating Near-Real Time Thermospheric Density Retrieval Methods from Precise Low Earth Orbit Spacecraft Ephemerides During Geomagnetic Storms
本研究评估EDR和POD加速度计两种近实时热层密度反演方法，发现POD加速度计法精度优于EDR法和DTM2000模型，接近JB2008和NRLMSISE-00模型，可作为热层研究与卫星运行的近实时资源。
2024-12-12 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.space-ph
Forecasting of the Thermosphere via Assimilation of Electron Density and Temperature Data
本文介绍了利用集合调整卡尔曼滤波（EAKF）技术同化电子密度（Ne）和温度（Tn）数据驱动一个基于物理的热层模式的试验。这项研究不仅有助于衡量同化的准确性，解释固有的模式偏差，并了解框架的局限性，但它也建立了EAKF作为一个可行的技术，在现实的资料同化的情况下，预测高度动态的热层。理想模式情景的结果表明，资料同化改变了模式状态，而且往往改善了模式状态。来自Swarm-A、Swarm-C、CHAMP和GRACE-A的数据用于验证所得到的分析状态。独立的验证结果表明，在没有沿所考虑的轨道进行资料同化的情况下，Ne引导的热层状态并不优于模式状态。这可能是由于在实验中的热层规范任务的数量有限的真正的Ne配置文件。更重要的是，结果表明，在磁暴期间，Ne引导的热层状态的性能并没有恶化太多。结果表明，在一个假设的业务资料同化练习中使用Ne配置文件的一些挑战。同化Tn的实验在估计CHAMP和GRACE-A卫星轨道上的质量密度方面比Ne更有希望。结果表明，与太阳活动极大期相比，太阳活动极小期对热层整体状态预报的改善效果更好。这些结果还提供了对基于物理模型的固有偏差的见解。该论文强调的系统性偏差可能表明模型中等离子体中性相互作用的规范需要进一步调整。
2019-03-20 physics.ao-ph physics.space-ph
Modeling of Nitric Oxide Infrared radiative flux in lower thermosphere: a machine learning perspective
研究提出基于机器学习的NOEMLM模型预测一氧化氮红外辐射通量，在平静期和地磁风暴期间均与SABER观测高度吻合，且在极端空间天气下优于传统TIEGCM模型。
2024-05-30 physics.space-ph
Evidence of potential thermospheric overcooling during the May 2024 geomagnetic superstorm
本研究针对2024年5月地磁超级暴，发现暴后热层出现罕见的约-23%密度损耗的过冷现象，证实热层NO红外辐射冷却为主要成因，且此次冷却通量创历史新高。
2025-01-14 physics.space-ph
Satellite Drag Analysis During the May 2024 Gannon Geomagnetic Storm
本研究针对2024年5月Gannon地磁暴，评估地磁指数ap预报效果、分析热层密度变化及低轨卫星受影响的大尺度趋势，为低轨卫星安全与轨道可持续性提供支撑。
2024-07-15 astro-ph.EP physics.space-ph
Satellite orbital drag during magnetic storms
本文研究了在由日冕物质抛射引起的磁暴期间与热层加热有关的低地球轨道（LEO）卫星轨道阻力效应。利用CHAllenge微型卫星有效载荷（CHAMP）和重力恢复与气候实验（GRACE）中性密度数据计算轨道阻力。通过Jacchia-Bowman 2008（JB 2008）经验模型获得的背景密度进行风暴与平静密度的比较。我们的风暴根据SYM-H指数的最小值所示的强度分为不同的类别。然后，我们进行叠加的历元分析与风暴主相位的零历元时间开始。总的来说，我们发现CHAMP（较低高度）的轨道阻力效应大于GRACE（较高高度）。结果表明，风暴时间的阻力效应首先表现在高纬度地区，但对于极端风暴特别是观察到的GRACE较强的轨道阻力效应发生在主相早期在低/赤道纬度，可能是由于加热传播从高纬度。我们发现，沿着卫星路径的风暴时间轨道衰减通常会随着风暴强度的增加而增加，对于最极端的事件来说更强更快。对于这些事件，轨道阻力效应下降得更快，可能是由于一氧化氮引起的冷却效应升高，这在风暴恢复阶段引入了模拟的密度不确定性。与JB 2008引入的总轨道衰减相关的误差通常在最强风暴中最大，并且在风暴期间，特别是在恢复阶段增加。我们讨论的影响，这些不确定性的预测在磁暴期间在低地球轨道空间物体之间的碰撞。
2019-10-21 astro-ph.EP physics.space-ph
The Relation between Type III Radio Storms and CIR Energetic Particles
我们报告的一项研究，比较高能粒子通量的共转相互作用区（CIR）与III型射电暴与那些在nonstorm CIR。在一个案例研究中，我们比较了2010年10月21日和2005年11月2日的CIR粒子事件。这两个事件有类似的太阳和太阳风的情况下，除了前者是与III型射电暴，并有较高的CIR粒子通量和注量。我们还进行了统计研究，结果表明，质子和电子注量是高的风暴相关的CIR的约6和8倍，分别比那些在风暴的CIR。
2022-05-30 astro-ph.SR physics.space-ph
Hemispheric Differences in the Response of the Upper Atmosphere to the August 2011 Geomagnetic Storm: A Simulation Study
利用三维非静力环流模式，研究了2011年8月5-6日大磁暴对热层-电离层系统的影响。该模型由行星际磁场（IMF），太阳活动和极光活动的测量风暴时间输入数据驱动。在同一时期的安静稳定的条件下进行模拟，以及为了评估的中性和等离子体参数的风暴的响应。在风暴期间，高纬平均离子流增强高达150- 180%。最大的离子流被发现在风暴的主要阶段。总体而言，全球平均中性温度增加高达15%，而最大热响应在冬季南半球高纬度地区高于夏季北半球：高纬度平均温度分别增加40%和20%。全球平均焦耳加热增加了三倍多。在磁暴的不同阶段，水平离子流和热层流的大小和形态存在明显的半球差异。在风暴的主要和恢复阶段，发现热层环流的最大半球差异，表现出明显的地理变化。平流强迫被发现有助于模拟的半球差异。
2015-10-18 astro-ph.EP physics.geo-ph physics.space-ph
Multiple satellite analysis of the Earth's thermosphere and interplanetary magnetic field variations due to ICME/CIR events during 2003-2015
我们提出了一个精细的统计分析的基础上行星际日冕物质抛射，以及同向旋转的相互作用区域的时间段2003-2015年估计的影响，不同类型的太阳风对地磁活动和中性密度在地球的热层。对于事件的基于时间的定界，我们依赖于Richardson和Cane维护的目录和S. Vennerstroem和Jian等人[2011]。这些档案是基于ACE和/或Wind航天器的现场测量。在此基础上，我们全面调查了196个地球定向ICME和195个CIR事件。为了核实对地球热大气层的影响，我们利用低地球轨道卫星GRACE和CHAMP收集的加速度计测量数据确定了中性质量密度。随后，大气密度与特征ICME参数有关。在这个过程中，一个新的校准方法已被检查。由于太阳活动的增加可能导致卫星轨道高度的降低，我们还评估了每个事件和卫星的轨道衰减。CIR事件的影响与大多数ICME（196次中的186次）的影响程度相同。尽管在2011年至2015年的延长调查期间缺乏极端太阳事件，但综合分析显示中性密度与各种ICME和地磁参数之间的相关系数相当（大多数> 0.85）。对不同高度的轨道衰减率的评价表明，高度依赖于卫星的实际高度。
2018-11-06 astro-ph.EP physics.space-ph
Effects of CME and CIR induced geomagnetic storms on low-latitude ionization over Indian longitudes in terms of neutral dynamics
本文介绍了2016年10月12日至20日和2017年5月26日至31日发生在太阳周期24下降阶段的强烈磁暴期间电离层的响应。全球定位系统的总电子含量（TEC）分别在地磁倾角为32.23°N、32°N和39.49°N的因斯布鲁克、加尔各答和西里古里测量，并在印度经度区的勒克瑙（异常峰以外）、海得拉巴（地磁赤道和EIA北峰之间）和班加罗尔（磁赤道附近）的国际全球导航卫星系统服务站测量。在2016年10月的风暴期间，在勒克瑙，因斯布鲁克，海得拉巴，班加罗尔观察到了周日最大值超过20-45 TECU的显著峰值，在2017年5月的风暴中，在西里古里，因斯布鲁克，加尔各答和海得拉巴观察到了10-20 TECU。TIMED航天器上的GUVI图像测量热层O/N2比率，显示10月16日的高值（O/N2比率约为0.7），与风暴期间的其他日子相比，观察到了积极的风暴影响。观测到的特征已被解释为赤道热层中O/N2比率的增加，即2016年10月风暴的CIR诱导的高速太阳风（HSSW）事件。TEC的增强也可以用极光电射流（AE）、从水平风模型（HWM 14）获得的中性风值以及从2016年10月和2017年5月风暴的磁强计数据中获得的赤道电射流强度来解释。这些结果是第一个从印度经度部门的CME和CIR驱动的磁暴对TEC的影响，在太阳周期24的下降阶段的报告。
2020-06-12 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Statistical Analysis of Solar Events Associated with Storm Sudden Commencements over One Year of Solar Maximum during Cycle 23: Propagation from the Sun to the Earth and Effects
以2002年ISGI列出的32个风暴突发事件（SSCs）为出发点，根据观测资料（传播时间、速度比较、磁场旋转方向、无线电波）进行多判据分析，将它们与太阳源联系起来。我们确定了它们在行星际介质中的影响，并研究了地球电离和中性环境的响应。我们发现28个SSC与44个日冕物质抛射（CME）有关，其中15个与一个独特的CME有关，13个与一系列的多个CME有关，其中19个与晕CME有关; 19个速度大于1000 km/s的最快CME中有12个是晕CME。如果日冕物质抛射是晕日冕物质抛射，则SSC发生的概率为75%。两个日冕物质抛射之间的复杂相互作用和它们的轨迹的修改已经使用联合白光和多波长无线电观测进行了研究。在导致32个SSC的激波之后，L1处的太阳风结构是12个磁云（MC），6个没有MC结构的行星际CME（ICME），4个不能明确归类为ICME的其他结构，5个共转或流相互作用区（CIR/SIR）和4个孤立的激波事件;注意，一个CIR导致两个SSC。2002年3个或更多MC目录中列出的11个MC与SSC有关。对于与MC有关的3个最强磁暴，我们注意到2个Dst的突然增加，在鞘的到来和MC本身的到来。对地球影响最大的事件是MC，因为其中92%会引发中等或强烈的风暴，其次是ICME（33%）。在最好的情况下，CIR/SIR只会引起弱风暴。我们发现，这些地球效应事件（ICME或MC）触发或加强地…
2018-03-20 astro-ph.SR physics.space-ph
Estimating Satellite Orbital Drag During Historical Magnetic Superstorms
了解极端空间天气事件对于努力保护空间和地面技术系统至关重要。特别是在热大气层，随后发生的极端磁暴会加剧轨道预测的误差，从而对低地球轨道航天器构成严重威胁。极端磁暴（最小Dst $\leq$ --250 nT）极为罕见：在具有高水平加速计的航天器时代，如CHAMP（挑战微型卫星有效载荷）和GRACE（重力恢复和气候实验），仅发生了7次事件，而最小Dst $\leq$ --500 nT，在此称为磁超级风暴。因此，目前对热层质量密度对超级暴响应的认识是非常有限的。因此，为了推进这一知识，历史上已知的四个磁超级风暴，即，事件发生在CHAMP和GRACE的委员会时间，完整的数据集，用于经验估计密度增强和随后的轨道阻力。2003年11月的磁暴（最小Dst = --422 nT），这两颗卫星观测到的最极端的事件，被用作基准事件。结果表明，正如预期的那样，最强烈的风暴的轨道退化更为严重。此外，结果清楚地指出，风暴的持续时间与风暴时间的轨道阻力效应密切相关，与风暴强度本身一样重要，甚至更重要。为1989年3月磁超级风暴估计的CHAMP/GRACE类样本卫星轨道期间最极端的风暴时间衰减表明，持久的超级风暴可能对低地轨道卫星的轨道动力学产生非常有害的后果。
2020-07-27 astro-ph.EP physics.space-ph
Science through Machine Learning: Quantification of Poststorm Thermospheric Cooling
West Virginia University（西弗吉尼亚大学）；Virginia Tech（弗吉尼亚理工大学）；U.S. Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）；Space Environments Technologies（空间环境技术公司）
机器学习（ML）通常被视为一种黑盒回归技术，无法提供相当多的科学见解。ML模型是通用函数逼近器，如果使用正确，可以提供与用于拟合的地面实况数据集相关的科学信息。ML优于参数模型的一个优点是没有预定义的基函数限制可以建模的现象。在这项工作中，我们在三个数据集上开发了ML模型：空间环境技术（SET）高精度卫星阻力模型（HASDM）密度数据库，Jacchia-Bowman 2008年经验热层密度模型（JB 2008）输出的时空匹配数据集，以及来自CHAllenging Minisatellite Payload（CHAMP）的加速度计衍生密度数据集。这些ML模型进行了比较，海军研究实验室质谱仪和非相干散射雷达（NRLMSIS 2.0）模型，研究风暴后冷却的存在下，在中层热层。我们发现，NRLMSIS 2.0和JB 2008-ML不占风暴后的冷却，因此表现不佳，在强地磁暴（如2003年万圣节风暴）。相反，HASDM-ML和CHAMP-ML确实显示了风暴后冷却的证据，表明这种现象存在于原始数据集中。结果表明，根据风暴的位置和强度，在风暴后1- 3天，密度可能会降低40%。
2022-06-12 cs.LG physics.space-ph
Characterization of the Thermospheric Mean Winds and Circulation during Solstice using ICON/MIGHTI Observations
利用NASA ICON上MIGHTI仪器的水平中性风观测（电离层连接探测器）航天器的连续覆盖，我们确定的平均纬向和纬向风的气候和相关的平均环流在低至中纬度（$10^\circ$ S-40 $^{\circ}$ N），适用于北半球90 km和200 km高度之间的夏至条件，特别是在2020年6月20日至2020年6月8日至7月7日的一个月期间，以及2019年12月16日至2020年1月31日的北方冬季，为期47天，提供完整的当地时间覆盖。这些数据在适当的高度、经度、纬度、太阳天顶角和当地时间段内进行平均，以产生平均风分布。文中还分析了平均水平环流的地理分布和当地时间的变化。瞬时水平风表现出显著的时空变异性，经常超过$\pm 150 $ m s $^{-1}$。日平均纬向平均风表现出逐日变化。低层热大气中盛行向东的纬向风和向北的纬向风，这为小尺度重力波的东向动量沉积提供了间接的观测证据。平均中性风和环流在较低的热层（90-120公里）中显示出较小的尺度结构，而在较高的热层中则更为均匀，这表明热层的耗散性越来越强。从ICON/MIGHTI测量推断的平均风和环流模式可用于约束和验证大气环流模型，以及数值波浪模型的输入。
2022-10-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.data-an
A composite of the effects of major sudden stratospheric warming events on carbon dioxide radiative cooling in the mesosphere-lower-thermosphere
本文研究了2005至2020年间重大平流层突发增温事件对中间层-低热层CO$_2$辐射冷却的影响，发现冷却变化主要由温度扰动和氧输运引起。
2025-06-30 physics.ao-ph physics.space-ph
Observations of planetary waves in the mesosphere-lower thermosphere during stratospheric warming events
本文研究了平流层突然变暖对中间层-低热层行星波活动的影响。95 km附近的PW活动是使用一系列位于北半球高纬度地区的8台SuperDARN雷达从流星风数据中得出的，这些雷达的范围从西经150 $^{\circ}$到东经25 $^{\circ}$，北纬51到66 $^{\circ}$。从2000-2008年的纬向风中提取了纬向波数1和2分量。观测到的冬季PW活动显示了与平流层风逆转和伴随的平流层变暖事件相关的共同特征。在这段时间内，使用指定的动力学全大气社区气候模式（SD-WACCM）确定了7个SSW事件伴随着一个升高的平流层顶（ES）的发生日期。对于这7个事件，95公里附近的波数1和2 PW振幅显着增强，发现发生后，在50公里的风逆转，振幅最大化约5天后，风逆转的开始。使用SD-WACCM证实了事件发生后MLT中的PW增强。当所有的情况下，极冠风逆转在50公里，一个显着的，虽然中等，相关性0.4被发现之间的PW振幅近95公里和向西极冠平流层风在50公里，最大的相关性发生$\sim$ 3天后，最大西风。这些结果表明，在95公里附近PW振幅的增强是SSW的共同特征，而与风反转的强度无关。
2016-11-28 physics.space-ph
Intense Geomagnetic Storms during Solar Cycles 23-25
本文分析了太阳活动周23-25期间由CMEs和CIRs引发的强地磁暴，通过2023年4月24日的风暴案例，强调基于太阳源和太阳风参数理解风暴演变及编目此类事件的重要性。
2024-01-07 astro-ph.SR physics.space-ph
Impact of Gravity Waves From Tropospheric and Non-tropospheric Sources on the Middle and Upper Atmosphere and Comparison with ICON/MIGHTI Winds
本研究利用耦合中层大气热层-2模型，比较不同源分布的重力波对中层和高层大气的影响，发现均匀分布源产生最大变化，且模型对纬向风的再现优于经向风。
2025-06-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.space-ph
Geomagnetic storm forecasting from solar coronal holes
日冕洞是太阳风中高速流的来源，它与慢速太阳风的相互作用在日球层中形成了共转相互作用区。每当CIR撞击地球时，它们都会引起地磁风暴。我们开发了一种方法来预测CIR/HSS驱动的磁暴强度直接从太阳观测使用CH地区和相关的磁场极性。首先，我们建立了一个数据集，包括太阳上的CH的属性，相关的HSS，CIR，和行星际磁场（IMF）在L1的方向，和相关的磁暴的强度由地磁指数Dst和KP。然后，我们预测的Dst和Kp指数使用高斯过程模型，它占地球的磁场轴方向的年度变化。我们表明，在L1与CIR相关的IMF的极性保存在约83%的情况下，相比，其CH源的极性。在2010-2020年期间测试我们的模型，我们获得了预测和观测到的Dst指数之间的相关系数R = 0.63/0.73，Kp指数R = 0.65/0.67，对于具有朝向/远离太阳的极性的HSS。这些研究结果表明，有可能直接从太阳观测中预测CIR/HSS驱动的地磁暴，并将预测提前时间延长至几天，这与加强空间天气预测有关。
2022-11-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Response of the Jovian thermosphere to a transient `pulse' in solar wind pressure
木星热层在磁层-电离层耦合方面的重要性在磁层物理学中经常被忽视。我们提出的第一项研究，调查木星热层的响应瞬态变化的太阳风动态压力，使用一个方位对称的全球环流模型耦合到一个简单的磁层和固定的极光电导率模型。在我们的模拟中，木星磁层遇到太阳风冲击或稀疏区，随后被压缩或扩大。我们提出了随后的耦合电流，热层流动，加热和冷却条款，和极光这些瞬态事件的响应。瞬态压缩导致磁层-电离层耦合电流和热层与磁层之间的动量传递相对于稳态发生逆转。它们还导致焦耳加热速率至少增加两倍。离子曳力显著地改变了热层中性粒子的动能，这取决于磁层是压缩还是膨胀。局部温度变化出现在~ -45和175 K之间的压缩方案和~ -20和50 K的膨胀情况。扩展区域的向赤道流动开发后的压缩事件-我们讨论了这种行为对全球能量输送的影响。压缩和膨胀都导致热层中耗散或沉积的总功率增加约2000 TW。在极光过程中，瞬态压缩增加主椭圆形紫外线发射的4.5倍，而瞬态膨胀增加这个主要的排放量由一个更温和的37%。这两种类型的瞬变事件的原因在主椭圆的位置，高达1度纬度的变化。
2013-12-06 astro-ph.EP physics.space-ph
Geoeffectiveness and efficiency of CIR, Sheath and ICME in generation of magnetic storms
我们研究了各种类型的太阳风流在磁暴形成中的相对作用。根据1976-2000年OMNI的行星际观测资料，分析了798个Dst < -50 nT的磁暴及其行星际来源：共转相互作用区（CIR）、行星际CME（包括磁云和喷出物）以及这两类ICME前的压缩区鞘。对不同类型的太阳风，我们研究了以下相关特征：发生率;质量、动量、能量和磁通量;磁暴产生的概率（地球效应）和磁暴产生过程的效率。结果表明，尽管磁云比CIR和Sheath的发生率和效率低，但由于磁云具有更高的磁暴生成的地球有效性（即更有可能包含大的、长期向南的IMF Bz分量），因此磁云在磁暴生成中起着重要作用。
2011-09-06 physics.geo-ph physics.space-ph
Influence of the interplanetary driver type on the durations of main and recovery phases of magnetic storms
利用OMNI数据库，研究了1976-2000年期间不同类型的大尺度太阳风流（鞘流、磁云、喷出物和CIR）诱发的磁暴主相和恢复相的持续时间。主要阶段和恢复阶段的持续时间取决于行星际驱动器的类型。平均而言，压缩区（CIR和Sheath）诱导的风暴主相持续时间比MC和Ejecta短，而CIR和Sheath诱导的风暴恢复相持续时间较长。对单个风暴持续时间的分析表明，CIR和Sheath引起的风暴的主相和恢复相的持续时间是反相关的，而（MC+Ejecta）引起的风暴的主相和恢复相的持续时间之间不存在相关性。
2013-12-30 physics.plasm-ph physics.space-ph
Highly Polarized Type III Storm Observed with Parker Solar Probe
本文分析 PSP 在 2022 年 CME 后观测到的高圆偏振 III 型射电暴，结合约 0.1c 电子束、O 模基频辐射及磁场穿越电流片导致的偏振反转，建立原位与遥测联系。
2024-12-06 astro-ph.SR physics.space-ph
Understanding variability in HASDM to support space traffic management
随着更多商业星座的计划，低地球轨道（LEO）物体的数量将在两年内增加三倍。低地球轨道物体的增加直接增加了物体之间因空间碎片积累而发生意外碰撞的可能性。有效的空间交通管理需要准确了解高层大气密度的变化。数据同化建模是根据测量结果建立基于物理学的模型，为确定和预测空间天气提供了最佳能力。该模型的基础来自SET高精度卫星阻力模型（HASDM）密度数据库。我们报告的研究，以了解在HASDM的变异。我们确定了两个热层特征从SET HASDM密度数据库。首先，我们已经证实，时间尺度是非常快的（1小时），分子传导200公里以上的热层垂直转移能量。这一结果与100-200 km区域中传导的较长时间尺度相结合，其中能量通过分子传导跨越该区域需要长达2天的时间。我们现在对整个热层能量变化的时间尺度有了一个很好的了解。第二，SET HASDM密度数据显示了一个共同的变化范围，尽管水平的每日平均地磁活动所代表的Ap。在较高水平的每日平均地磁活动，密度的平均值和中值增加在所有海拔高度水平。然而，相对范围的变化是一致的，从一个每日平均的Ap到下一个。其原因可能是，热层风暴前的基本密度是由太阳极紫外线和远紫外线辐照度决定的，而太阳极紫外线和远紫外线辐照度构成了高层大气的热基础。日平均地磁活动是在此基础上的扰动。
2022-09-12 physics.space-ph
Specific interplanetary conditions for CIR-, Sheath-, and ICME-induced geomagnetic storms obtained by double superposed epoch analysis
根据OMNI的存档资料，对1976-2000年期间Dst < -50 nT的798个磁暴的具体行星际条件进行了比较。我们将各种大尺度类型的太阳风归类为行星际磁暴的驱动因素：共转相互作用区（CIR）、鞘层、行星际CME（ICME）（包括磁云（MC）和喷出物，分别为MC和喷出物）和“不确定”型。资料处理采用双叠加历元分析方法，即采用两个参考时间（风暴开始时间和Dst指数最小值），并对风暴主相进行重新标度，使得经过这种转换后，所有风暴在新的时间参考系中具有相等的主相持续时间。这种方法重现了一些著名的结果，并使我们得到了一些新的结果。具体而言，所获得的结果表明鞘层在磁暴的产生以及MC和喷出物的性质和它们的地球有效性的显着差异的重要性。
2009-11-17 physics.plasm-ph physics.space-ph
Impacting the dayside Martian ionosphere from above and below: Effects of the impact of CIRs and ICMEs close to aphelion (April 2021) and during dust storms (June-July 2022) seen with MAVEN ROSE
本研究利用MAVEN ROSE的62个电子密度剖面，分析了近日点附近及沙尘暴期间CIRs和ICMEs对火星日侧电离层的影响，发现太阳事件和沙尘活动共同导致TEC增加、峰值高度异常及热大气整体抬升等复杂效应。
2024-04-23 astro-ph.EP physics.space-ph
Assessment of the Performance of Ionospheric Models with NavIC Observations during Geomagnetic Storms
本文评估了全球经验模型的性能：国际参考电离层（IRI）-2016和NeQuick 2模型推导的电离层总电子含量（TEC）与印度星座导航（NavIC）/印度区域导航卫星系统（IRNSS）估计的TEC在磁暴条件下。本研究是在Incident上空进行的（地理：22.52 $^{\circ}$ N 75.92 $^{\circ}$ E，磁倾角：32.23 $^{\circ}$ N，靠近印度区赤道电离异常（EIA）区域的北峰）。对当前太阳周期衰退阶段的强风暴（2017年9月6日至10日）、中等风暴（2017年9月26日至30日）和轻度风暴（2018年1月17日至21日）进行了分析。据观察，与NavIC观测到的TEC相比，IRI-2016和NeQuick 2得出的TEC都被低估了，因此无法预测该地区TEC的风暴时间变化，需要NavIC的真实数据才能更好地预测可变的印度经度扇区。
2020-05-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Plasma and Magnetic Field Characteristics of Solar Coronal Mass Ejections in Relation to Geomagnetic Storm Intensity and Variability
到目前为止，第24太阳活动周最大的磁暴发生在2015年3月17日和6月22日，$D_{\rm st}$最小值分别为$-223$和$-195$ nT。这两个磁暴都呈现出多阶段发展的特征。我们研究了驱动日冕物质抛射（CME）的等离子体和磁场特征与磁暴发展的关系。一个特别的努力是重建的原位结构，使用梯度-Shafranov技术和比较重建结果与太阳观测，这给出了一个更大的空间视角的源条件比一维原位测量。关于CME等离子体和磁场特征如何控制磁暴强度和变率，获得了以下关键结果：（1）分别提出了2015年3月17日和6月22日磁暴多阶段发展的鞘-喷出物-喷出物机制和鞘-鞘-喷出物情景;（2）发现了CME磁绳特征产生强磁暴的两个对比事例，表明磁绳南向不是强磁暴的必要条件;以及（3）2015年3月17日意外的强烈磁暴是由两个连续的CME之间的相互作用加上来自后方的高速气流的压缩造成的，这本质上是\citet提出的“完美风暴”情景[][即，各种情况的组合导致了异常量级的事件]{liu 14 a}，因此“完美风暴”的情况可能并不像该短语所暗示的那样罕见。
2015-08-06 astro-ph.SR physics.space-ph
Does generation of magnetic storm depend on type of solar wind?
本文的目的是引起读者注意一个问题，即由不同的大尺度太阳风（SW）流（CIR、Sheath和ICME（包括MC和Ejecta））引起的磁暴的产生可能存在差异。最近，我们表明，当使用Burton等人[1975]修改的公式将行星际条件与Dst和Dst* 指数联系起来时，Sheath和CIR产生风暴的效率比ICME产生的效率高约50%[Nikolaeva等人，2013年，2015年]。在文献中，有许多不同的函数耦合（FC）的行星际参数与磁层状态。本文在1976年OMNI资料的基础上，研究了不同西南气流在使用另外12个FC时产生主相风暴的效率。2000.所得结果表明，对于大部分的FC鞘有最高的效率和MC有最低的效率，根据我们以前的结果。所获得数据的可靠性以及不同功能块和不同SW类型的差异的可能原因需要进一步研究。
2016-02-18 physics.space-ph
Dependence of the cross polar cap potential saturation on the type of solar wind streams
比较了不同类型的太阳风驱动器诱发磁暴期间的跨极冠位饱和。利用Siscoe-Hill \citep{Hilletal1976,Siscoeetal2002a,Siscoeetal2002b,Siscoeetal2004,Siscoe2011}模式，计算了257个由磁云（MC）、喷出物、MC前压缩区（$Sh_{MC}$）和喷出物前压缩区（$Sh_{E}$）、共转相互作用区（CIR）和不确定型（IND）等太阳风流诱发的磁暴（$Dst_{min} \le -50$ nT）主相的CPCP饱和判据。我们的分析表明，ICME诱发的风暴中，CPCP饱和的发生率较高（$13.2%$）比CIR驱动的风暴要多（$3.5%$）或IND（$3.5%$）。对于由MC引发的风暴，更经常获得CPCP饱和度（$25%$）而不是喷出物（$2.9%$）;得到了MC和喷出物之和引起的磁暴的$8.6%$和在它们之前的鞘层引起的$21.5%$磁暴（$Sh_{MC}$和$Sh_{E}$之和）。这些结果表明，磁暴主相CPCP饱和的发生率取决于太阳风流的类型。
2013-12-03 physics.space-ph
A Pileup of Coronal Mass Ejections Produced the Largest Geomagnetic Storm in Two Decades
本研究结合多点成像与原位观测分析2024年5月二十年来最强地磁暴，发现连续日冕物质抛射叠加及活动区磁场构型差异决定其超常地磁效应。
2024-09-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Candidate Auroral Observations during the Major Solar-Terrestrial Storm in May 1680: Implication for Space Weather Events during the Maunder Minimum
蒙德极小期（1645-1715年）被认为是自1610年以来望远镜观测到的唯一一个太阳黑子极小期。在这个时期，太阳非常安静，不寻常地没有太阳黑子。然而，尽管频率降低，但在此期间，在中欧地区报告了候选极光，并与行星际日冕物质抛射（ICME）的发生有关，而其中一些已被确定为误解。在这里，我们分析了1680年6月1日候选极光的报告，同时在中欧进行了观测，并将它们的描述与早期现代极光的视觉描述进行了比较。大多数1680年5月22日、24日和27日的太阳黑子图都显示，这个明显的太阳黑子可能是ICME的来源，这导致了报告中的候选极光。另一方面，它的强度估计表明，在这一候选极光的磁暴可能是在风暴的能力来自共转相互作用区（CIR）。因此，我们容纳ICME和CIR作为其可能的起源。根据赤道极光边界的重建边缘，这种解释可能适用于经常引用的匈牙利目录中的候选极光。此外，这个目录本身已经澄清，在MM期间的相当多的候选人可能是误解。因此，匈牙利极光可见度的频率可能比以前认为的要低，并且与现有重建中普遍缓慢的太阳风更加一致，而太阳黑子和日冕洞的零星出现仍然会引起偶尔的地磁风暴。
2020-08-31 astro-ph.SR physics.geo-ph physics.space-ph
A Comparative Study of 2017 July and 2012 July Complex Eruptions: Are Solar Superstorms "Perfect Storms" in Nature?
从科学和社会的角度来看，理解极端空间天气的产生至关重要。我们基于对2012年7月23日和2017年7月23日爆发的比较研究来讨论太阳超级风暴的形成。第一个是卡林顿级，第二个可能与1989年3月的事件相媲美，该事件造成了太空时代最强烈的地磁风暴。在历史上最弱的太阳活动周期24中观测到的这些事件表明，太阳超级风暴可以发生在任何太阳活动周期的任何阶段。确定在这两种情况下，包括长寿的喷发性质的活动区，一个复杂的事件组成的连续喷发从同一个活动区，并在运输过程中的相互作用，连续喷发导致异常强烈的喷出物磁场在1 AU。每一个案例都有其独特的特点。上游太阳风的预处理导致异常高的太阳风速度在1 AU观察到在第一种情况下，而不是在后者。这可能表明，“预处理”的概念似乎是制造卡林顿级风暴所必需的。在第二种情况下，我们发现附近的冕洞有相当大的偏转，但在第一种情况下没有。在这些结果的基础上，我们提出了进一步研究的假设，即超级风暴是自然界中的“完美风暴”，即，导致不寻常规模的事件的各种情况的组合。一些极端事件的历史记录似乎支持我们的假设。
2019-02-09 astro-ph.SR physics.space-ph
Analysis of Large Geomagnetically Induced Currents During the 7-8 September 2017 Storm: Geoelectric Field Mapping
本文开发了GEDMap代码，基于IMAGE磁力计数据对2017年9月地磁暴期间Mäntsälä管道GIC事件进行地电场动态测绘，发现极光电集流地电场的快速变化导致GICs，模型与实测相关系数超0.8。
2023-02-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Understanding the Origins of Problem Geomagnetic Storms Associated With "Stealth" Coronal Mass Ejections
地磁暴是空间天气的一个重要方面，可能对空间和地面资产造成重大影响。大多数强风暴都与近地环境中的行星际日冕物质抛射（ICME）有关。在许多情况下，这些ICME可以明确地追溯到特定的日冕物质抛射（CME）和太阳正面的太阳活动。因此，通过对日冕物质抛射和太阳活动的常规观测来预测日冕物质抛射到达地球，目前对预测地磁暴作出了重大贡献。然而，很明显，一些ICME也可能导致地磁活动增强，无法追溯到观测到的CME，或者，如果CME被识别，它的起源在日冕图像中可能是难以捉摸或模糊的。这种日冕物质抛射被称为“隐形日冕物质抛射”。在这篇评论中，我们关注这些“问题”磁暴，因为太阳/CME前兆是神秘和隐形的。我们首先回顾过去研究中讨论的隐形日冕物质抛射的证据。然后，我们确定了几个中到强的磁暴（最小Dst < -50 nT）在太阳活动周24日，相关的太阳源和/或CME是不清楚的，显然是隐形的。我们讨论了这些事件的太阳和原位情况，并确定了几种可能解释其难以捉摸的太阳签名的情况。这些范围从观察限制（例如，如果日冕物质抛射是弥散的并且不够宽，那么靠近地球的日冕物质抛射可能无法探测到进入的日冕物质抛射），也可能存在一类来自太阳的质量抛射，它们只有微弱或难以观测的日冕特征。特别是，只有考虑到日冕结构在比通常考虑的更长的时间间隔内的演变，才能清楚地揭示其中的一些来源。我们还审查了各种数值模拟方法.
2021-10-15 astro-ph.SR physics.space-ph
On the reason for the widespread energetic storm particle event of 13 March 2023
本文通过多航天器观测和磁流体动力学模拟，研究了2023年3月13日罕见的环太阳高能风暴粒子事件，发现单一环太阳爆炸波激波和多个日冕物质抛射组合两种情景均可解释观测，其中爆炸波情景对激波到达时间的预测略优。
2025-02-10 astro-ph.SR physics.space-ph
Low-Latitude Auroras: Insights from 23 April 2023 Solar Storm
本研究结合多航天器原位粒子数据与地磁观测，分析2023年4月印度Hanle观测到的低纬度红极光，明确极光未抵达印度，解释了其由极光卵高处发射及卵区向赤道微扩导致的成因，深化了对低纬度极光的认识。
2024-04-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Dynamics and solar wind control of the recovery of strong geomagnetic storms
本文通过分析57次CMEs/CIRs触发的强磁暴，发现耦合函数ρ^{1/2}Ey及ρ^{1/2}v^{4/3}B对恢复阶段衰减率具有关键控制作用，揭示了太阳风对磁暴恢复过程的动态调控机制。
2024-07-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Short term Variability of the Sun Earth System: An Overview of Progress Made during the CAWSES II Period
本文概述了在CAWSES II期间获得的关于太阳短期变化及其如何影响近地空间环境的结果。CAWSES II计划检查太阳活动在第24个太阳活动周期达到最大阶段时太阳-地球系统的行为。在第23个太阳活动周期之后，太阳黑子数量在第24个太阳活动周期（MiniMax 24）中达到了一个非常弱的最大值，因此这里的许多结果都是指与第23个太阳活动周期相比，太阳活动的强度很弱。对地球和地球空间有直接影响的短期变化表现为来自封闭场区域的太阳爆发和来自冕洞的高速流。电磁（耀斑）和质量发射（日冕物质抛射，CME）都参与了太阳爆发，而日冕洞导致高速流与慢风碰撞，形成所谓的共转相互作用区（CIR）。快速的日冕物质抛射通过加速高能粒子和产生大的地磁风暴来影响地球。另一方面，CIR及其尾随的高速流（HSS）分别负责经常性的小磁暴和延长的极光带活动（天）。后者导致相对论性磁层杀手电子的加速。弱太阳活动的主要后果之一是改变了日光层的物理状态，这对CME的冲击驱动和风暴造成的性质有严重的影响。最后，讨论了2012年7月23日发生在太阳背面的超级风暴事件引发的极端空间天气事件。其中许多研究都是由于能够同时从相对于太阳地球线的多个有利位置进行遥感和现场观测。
2015-04-23 astro-ph.SR physics.space-ph
Geomagnetically Induced Currents in the Irish Power Network during Geomagnetic Storms
地磁感应电流是地球空间天气的一种常见危害。它们发生在电力传输网络中，已知在高纬度和中纬度国家都有不利影响。在这里，我们研究了五次地磁风暴（2016年3月6日至7日、2015年12月20日至21日、2015年3月17日至18日、2003年10月29日至31日和1989年3月13日至14日）期间爱尔兰输电网络（地磁纬度54.7--58.5 $^{\circ}$ N）中的GIC。本文采用平面波法模拟了大地电场，并建立了大地电磁模型。然后计算了220、275和400 kV输电网络的GIC。在所研究的最大风暴期间，用我们的MT模式计算的峰值电场高达3.8 V km \textsuperscript{-1}，伴随的GIC高达23 A。用均匀电阻率模型计算，其峰值分别为1.46 V km \textsuperscript{-1}和25.8 A.我们发现，三个400和275千伏变电站是最有可能的位置，爱尔兰Transformers经历大GIC。
2016-11-23 astro-ph.EP physics.geo-ph physics.space-ph
GIC--Related Observations During the May 2024 Geomagnetic Storm in the United States
Space Weather Lab, George Mason University（乔治梅森大学空间天气实验室）；University of Cape Town（开普敦大学）；NSF NCAR/HAO（美国国家科学基金会国家大气研究中心/高空观测部）；NASA/GSFC（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）；Cooperative Institute in Environmental Sciences (CIRES)（环境科学合作研究所）；NOAA/SWPC（美国国家海洋和大气管理局空间天气预报中心）
通过分析2024年5月强地磁暴期间美国47个站点的GIC数据和17个站点的磁力计数据，结合模型预测，研究了地磁扰动对电网中地磁感应电流的影响，并建立了经验关系。
2026-05-08 physics.space-ph
Space Weather: From Solar Origins to Risks and Hazards Evolving in Time
空间天气是空间物理学中对人类有直接影响的部分。空间天气是空间物理学的一个古老分支，起源于1808年伟大的博物学家亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt，1808）发表的一篇论文。空间天气目前正在经历爆炸式增长，因为它对人类技术的影响越来越多样化。空间天气是由于太阳过程的变化造成的行星际、磁层、电离层、大气层和地面效应。空间天气有时会对技术系统和人类健康产生强烈影响。这些威胁和风险不是假设的，一旦发生极端空间天气事件，后果可能对人类相当严重。审查的目的是对造成空间天气风险和危害的整个物理过程链作一个简要的总体介绍，追踪这些风险和危害从太阳起源到行星际空间、地球磁层和电离层以及地面上的影响和冲击。该论文表明，与空间天气相关的风险并不是长期不变的;随着我们的社会技术越来越先进，这些风险也在不断演变。本文首先简要介绍了卡林顿事件。接下来，对已知最强的空间天气过程的描述进行了回顾。简要介绍了磁暴和亚磁暴的概念。还考虑了空间天气的主要效应/影响，包括被认为会造成停电的地磁感应电流。还将讨论辐射对航空电子设备和人类健康的影响、电离层效应和影响以及热层效应和卫星阻力。最后，我们将讨论当前空间天气预报面临的挑战，并研究一些最坏的情况。
2022-12-22 astro-ph.SR physics.geo-ph physics.space-ph
On the impact of the geospace environment on so-lar-lithosphere coupling and earthquake occurrence
我们发现，在磁暴在磁层内部产生新的辐射带后大约两个月，在新产生的辐射带的磁场线足迹附近可能发生增加的地震活动性。1991年3月24日，释放和辐射效应组合卫星（CRRES）在一次地磁风暴后探测到一个新的辐射带。此后不久，1991年5月30日，在地磁L~2.69线的足迹内，阿拉斯加发生了7.0级强烈地震。此外，2012年10月28日，加拿大在L~3.3足迹附近发生了7.8级强烈地震，该足迹靠近2012年9月3日地磁风暴后由“范艾伦探测器”卫星探测到的新辐射带的磁力线。由于2015年6月21日的磁暴，在L~1.5-1.8附近新形成的辐射带的磁场线足迹附近，地震活动性也有所增加。我们论证了两种可能的太阳-岩石圈耦合过程：（1）伴随地震孕育过程的岩石圈扰动可以改变全球电路（GEC）中的电场，导致电离层扰动的出现;反之亦然的机制（ii）太阳风在磁层和电离层中产生的扰动，可以改变GEC中的电场，这将导致岩石圈出现扰动。
2022-02-17 physics.geo-ph physics.space-ph
On the impact of the geospace environment on solar-lithosphere coupling and earthquake occurrence
我们发现，在磁暴在磁层内部产生新的辐射带后大约两个月，在新产生的辐射带的磁场线足迹附近可能发生增加的地震活动性。1991年3月24日，释放和辐射效应组合卫星（CRRES）在一次地磁风暴后探测到一个新的辐射带。此后不久，1991年5月30日，在地磁L~2.69线的足迹内，阿拉斯加发生了7.0级强烈地震。此外，2012年10月28日，在加拿大L~3.3足迹附近发生了一次7.8级强烈地震，该足迹靠近2012年9月3日地磁风暴后由“范艾伦探测器”卫星探测到的新辐射带的磁力线。由于2015年6月21日的磁暴，在L~1.5-1.8附近新形成的辐射带的磁场线足迹附近，地震活动性也有所增加。我们论证了两种可能的太阳-岩石圈耦合过程：（1）伴随地震孕育过程的岩石圈扰动可以改变全球电路（GEC）中的电场，导致电离层扰动的出现;反之亦然的机制（ii）太阳风在磁层和电离层中产生的扰动，可以改变GEC中的电场，这将导致岩石圈出现扰动
2022-02-17 physics.geo-ph physics.space-ph
The Gannon Storm: Citizen science observations during the geomagnetic superstorm of 10 May 2024
University of Helsinki（赫尔辛基大学）；Finnish Meteorological Institute（芬兰气象研究所）；Sodankylä Geophysical Observatory, University of Oulu（奥卢大学索德卡尔皮欧地球物理观测站）；Taivaanvahti/Skywarden Observation Service, Ursa Astronomical Association（Ursa天文协会Taivaanvahti/Skywarden观测服务）；Geophysical Institute, University of Alaska Fairbanks（阿拉斯加费尔班克斯大学地球物理研究所）；Aurorasaurus, New Mexico Consortium（新墨西哥联盟Aurorasaurus）；University Centre in Svalbard（斯瓦尔巴群岛大学中心）；Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG（格勒诺布尔阿尔卑斯大学CNRS IPAG）；Université Grenoble Alpes, CSUG（格勒诺布尔阿尔卑斯大学CSUG）；Center for Space Physics, Astronomy Department, Boston University（波士顿大学天文学系空间物理中心）；University of Southampton（南安普顿大学）；Goddard Space Flight Center, National Aeronautics and Space Administration（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）；Department of Physics, The Catholic University of America（美利坚天主教大学物理系）；Department of Electrical and Computer Engineering and Center for Space Physics, Boston University（波士顿大学电气与计算机工程系及空间物理中心）
本研究通过在线调查收集30余国696份公民科学报告及Skywarden目录186条数据，发现2024年5月10日“甘农风暴”的极光观测范围比模型预测更靠赤道，含大量低能粒子。
2026-10-15 physics.geo-ph physics.space-ph
Peculiarities of the Solar-Wind/Magnetosphere Coupling in the Era of Solar Grand Minimum
本研究利用1976-2019年OMNI数据库数据，分析第21-24太阳活动周太阳风及相关参数变化，发现太阳活动极小期时代CIR引发磁暴占比上升，且太阳风参数降低可能改变太阳风与磁层的相互作用性质。
2022-05-15 astro-ph.SR physics.space-ph
A Space Weather Mission Concept: Observatories of the Solar Corona and Active Regions (OSCAR)
日冕物质抛射（CME）和共旋相互作用区（CIR）是地球上磁暴的主要来源，因此被认为是最危险的空间天气事件。日冕和活动区观测站（OSCAR）任务旨在确定日冕环的三维结构，研究太阳活动区日冕物质抛射的触发机制及其在内日层的演化和传播过程。它还旨在监测和预报具有地球效应的日冕物质抛射和日冕物质抛射。天体物理学和天文学研究卫星将有助于在太阳物理学领域取得重大进展，改进目前的日冕物质抛射预测模型，并为可靠的空间天气预报提供数据。这些目标是通过利用两个具有相同仪器的航天器来实现的，它们位于距太阳1~AU的日心轨道上。航天器将以68 $^{\circ}$的角度分开，以提供日冕的最佳立体视图。我们研究这样一个任务的可行性，并提出了初步设计OSCAR。
2014-09-01 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.space-ph
Assessing the performance of thermospheric modelling with data assimilation throughout solar cycles 23 and 24
作为欧盟框架包7 ATMOP项目的一部分，利用卫星密度测量为热层模型开发了资料同化程序。两个模型进行了研究，一个是大气环流模型，TIEGCM，和其他半经验的阻力温度模型，DTM。运行使用资料同化与这些模型的结果进行了比较，独立的密度观测CHAMP和GRACE卫星在整个太阳活动周期23和24。在太阳活动极小期和极大期，包括2003年的太阳风暴，对60天的时间周期进行了研究。物理模型和半经验模型之间的差异已被表征。结果表明，这两种模型往往表现出类似的行为，低估了太阳能极大值时的密度，高估了太阳能极小值时的密度。DTM在太阳极小期表现更好，两种模型在太阳极大期的准确性都较低。使用TIEGCM进行资料同化，平均改善约4%。随着进一步改进，在实际空间天气预报中使用大气环流模型（除了目前使用的经验方法之外）是可行的。今后的工作将允许对热层数据进行近实时同化，以改进预报。
2015-03-11 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.space-ph
