[论文解读] Ionosphere-thermosphere global time response to geomagnetic storms

Denny M. Oliveira, E. Zesta+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2017

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 20被引用 5

一句话总结

本研究利用CHAMP与GRACE卫星数据，通过叠加 epoch 分析方法，分析了168次CME驱动的地磁风暴对全球热层中性密度响应的影响。结果表明，高纬度区域在风暴爆发后约1.5小时内即因增强的焦耳加热（最高增加200%）而迅速升温，而赤道区域的加热则滞后约3小时，主要由大气行进扰动（TADs）驱动，且存在轻微的南北不对称性，与B_y分量相关。

ABSTRACT

In this study, we investigate thermospheric neutral mass density heating associated with 168 CME-driven geomagnetic storms in the period of May 2001 to September 2011. We use neutral density measured by two low-Earth orbit satellites: CHAMP and GRACE. For each storm, we superpose geomagnetic and density data for the time when the IMF B$_\mathrm{z}$ component turns sharply southward chosen as the zero epoch time. This indicates the storm main phase onset. We find that the average SYM-H index reaches the minimum of $-$42 nT near 12 hours after storm main phase onset. The Joule heating is enhanced by approximately 200\% in comparison to quiet values. In respect to thermosphere density, on average, high latitude regions (auroral zones and polar caps) of both hemispheres are highly heated in the first 1.5 hour of the storm. The equatorial response is presumably associated with direct equator-ward propagation of TADs (traveling atmospheric disturbances). A slight north-south asymmetry in thermosphere heating is found and is most likely due to a positive B$_\mathrm{y}$ component in the first hours of the storm main phase.

研究动机与目标

• 量化CME驱动的地磁风暴对热层中性质量密度的全球时间响应。
• 识别风暴爆发后不同纬度区域（高、中、赤道）加热的时空演变过程。
• 研究热层加热的南北半球不对称性，并将其与太阳风IMF B_y分量的影响关联。
• 通过提供风暴响应的经验延迟时间，提升热层模型的性能。

提出的方法

• 以IMF B_z转向南行为零时刻，对168次CME驱动的地磁风暴进行叠加 epoch 分析（2001年5月至2011年9月）。
• 利用来自OMNIWeb和京都WDC的1分钟分辨率SYM-H指数和IMF B_z数据，定义风暴爆发时刻及焦耳加热强度。
• 通过CHAMP和GRACE卫星上的加速度计测量热层中性质量密度，并利用JB2008模型投影至410 km高度。
• 通过计算密度增益因子 log₁₀(ρ₄₁₀ / ρ_Q,JB410) 将风暴引起的密度变化与背景状态及太阳活动影响分离。
• 应用经验焦耳加热模型（Knipp et al., 2004），并加入季节校正，估算能量沉积。
• 分析不同磁纬度区域加热与冷却的时空演变，识别TAD传播及热层恒温器效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 CME驱动风暴爆发后，热层中性质量密度的全球时间演变特征是什么？
• RQ2 高纬度、中纬度和赤道区域对风暴能量沉积的响应速度如何？
• RQ3 热层加热中观察到的南北半球不对称性，特别是南半球的不对称性，其成因是什么？
• RQ4 行进大气扰动（TADs）在多大程度上解释了赤道区域的密度扰动？
• RQ5 为何高纬度区域的冷却时间比中、低纬度区域更长？

主要发现

• SYM-H指数在风暴主相位爆发后约12小时达到-42 nT的最小值。
• 焦耳加热强度从平静期的30 GW增加至125 GW，增幅约200%。
• 高纬度区域（极光区和极帽区）在风暴爆发后约1.5小时内即出现首次显著加热。
• 赤道热层加热约在3小时后开始，与高纬度区域传播而来的TADs一致。
• 中纬度区域在风暴爆发约6小时后开始从加热状态恢复，早于赤道区域的恢复。
• 观察到轻微的南北加热不对称性，可能与风暴主相位初期IMF B_y分量为正有关。