DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl111677
تاريخ النشر: 2024-09-27
المؤلف: David R. Themens وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الأيونوسفير والمغنطوسفير
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم تطور الأيونوسفير في العروض العالية خلال العاصفة المغناطيسية الأرضية في 10-11 مايو 2024، باستخدام بيانات محتوى الإلكترون الكلي (TEC) جنبًا إلى جنب مع رادار التشتت غير المتماسك (ISR) وملاحظات الأيونوسون. تكشف الدراسة عن رفع كبير للبلازما داخل سحابة الكثافة المعززة بالعاصفة (SED)، مع زيادة ارتفاعات الأيونوسفير القمة بمقدار 150-300 كم، لتصل إلى 630 كم. يتمركز التلألؤ الأولي في القمة خلال مرحلة توسع العاصفة، ثم ينتشر لاحقًا عبر البيضة الشفقية. بعد عكس قوي في المجال المغناطيسي بين الكواكب، يتم تطهير مناطق واسعة من التلألؤ بسرعة. في 11 مايو، يؤدي التسخين الشديد والتغيرات التركيبية إلى الغياب التام للطبقة F2، مما يعيق الحمل الحراري في العروض العالية ويؤدي إلى تقليل التلألؤ في القطب.
تؤكد النتائج على الدور الحاسم لارتباط الأيونوسفير-الحرارة-المغناطيسية (ITM) في ديناميات الاضطرابات المغناطيسية الأرضية. تتبع الدراسة تطور التلألؤ من حدوثه الأولي إلى تشكيل لسان التأين (ToI) والبقع، تليها نقص شديد في كثافة البلازما الذي يحد من مزيد من التلألؤ على الرغم من استمرار النشاط المغناطيسي الأرضي. تسلط النتائج الضوء على ضرورة النمذجة المتكاملة والمتسقة ذاتيًا لإعادة إنتاج استجابة الأيونوسفير بدقة لمثل هذه العواصف، مما يبرز أهمية فهم استجابات الحرارة للضغط المغناطيسي في التنبؤ بالتأثيرات على الأنظمة التكنولوجية مثل أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية (GNSS) وانتشار التردد العالي (HF). تعتبر هذه الحدث اختبارًا قيمًا لفحص ارتباط ITM في العروض العالية، خاصة مع التقدم في شبكات المراقبة وقدرات ISR.
مقدمة
تركز مقدمة الدراسة على العاصفة المغناطيسية الأرضية في 10-11 مايو 2024، والتي كانت أول حدث Kp 9 منذ عام 2003، حيث أظهرت مستويات نشاط مغناطيسي أرضي مستمرة تتجاوز Kp 8 لأكثر من 24 ساعة. تُصنف هذه العاصفة كحدث 1 من كل 12.5 سنة من حيث الشدة و1 من كل 41 سنة من حيث المدة، مما يوفر فرصة فريدة للتحقيق في استجابة الأيونوسفير للاضطرابات المغناطيسية الأرضية المطولة وتأثيراتها على أنظمة الاتصال والملاحة. يقدم المؤلفون بيانات عن معلمات الرياح الشمسية، ومؤشرات المغناطيسية الأرضية، وميزات هامة من المجال المغناطيسي بين الكواكب (IMF)، مع تسليط الضوء على نقص شديد في كثافة الإلكترون في العروض المتوسطة والعالية الذي قلل من تأثير النشاط المغناطيسي الأرضي على أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية (GNSS).
تناقش المقدمة أيضًا حدوث أحداث بروتونات الطاقة الشمسية (SEP) التي تتزامن مع العاصفة المغناطيسية الأرضية، مما أعقد التحليل بسبب زيادة امتصاص القطب مما أدى إلى ظروف انقطاع في نطاق الراديو عالي التردد (HF). أثر هذا القيد على أنظمة الاستشعار عن بعد المعتمدة على HF. تهدف الدراسة إلى استكشاف تداعيات عاصفة مايو 2024 على الأيونوسفير والحرارة، خاصة فيما يتعلق بتشكيل لسان التأين (ToI) والاستجابة العامة للأيونوسفير. من خلال مقارنة ردود الأيونوسفير على النشاط المغناطيسي الأرضي في مراحل مختلفة من العاصفة، يسعى المؤلفون إلى توضيح تأثيرات التحضير المغناطيسي الشديد على نظام الأيونوسفير-الحرارة (IT).
النتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن ديناميات كبيرة في استجابة الأيونوسفير لعاصفة مغناطيسية أرضية، خاصة بعد توسع البيضة الشفقية حول 1700 UT. تم ملاحظة زيادة في محتوى الإلكترون الكلي (TEC) فوق الدول الاسكندنافية وألاسكا، مع تباينات ملحوظة في الطور تنتشر نحو الجنوب. حددت الدراسة سحابة كثافة معززة بالعاصفة (SED) تتطور بعد 1830 UT، والتي وصلت إلى رادار EISCAT Svalbard (ESR) بحلول 2000 UT، متزامنة مع زيادة في كثافات الإلكترون ونشاط التلألؤ. كانت البقع التي تشكلت خلال هذه الفترة تظهر ارتفاعات قمة تتجاوز 475 كم، مما يشير إلى اضطرابات كبيرة في الأيونوسفير، خاصة في القطب.
مع تقدم العاصفة، لوحظت تغييرات كبيرة في هيكل الأيونوسفير، بما في ذلك انتقال بارز إلى حالة G-Condition، حيث تجاوزت كثافة بلازما الطبقة F1 تلك الخاصة بالطبقة F2. تم تمييز هذا الانتقال بنقص حاد في كثافة الإلكترون، الذي استمر حتى الأيام التالية، مما أثر على المناطق المتوسطة مثل إجلين. تسلط الدراسة الضوء على أن النقص الشديد في بلازما منطقة F كان على الأرجح نتيجة لتغيرات حرارية ناتجة عن تسخين الشفق، مما أعاق تشكيل اضطرابات الأيونوسفير المتنقلة (ToIs) والبقع، مما يوحي في النهاية بأن مدة العواصف المغناطيسية الأرضية قد لا ترتبط مباشرة باضطرابات GNSS في المناطق ذات العروض العالية.
نقاش
في هذه الدراسة، نقوم بتحليل استجابة الأيونوسفير في العروض العالية لعاصفة المغناطيسية الأرضية في مايو 2024 باستخدام مجموعة متنوعة من البيانات الرصدية، بما في ذلك أجهزة استقبال GNSS، والأيونوسون، ورادارات التشتت غير المتماسك (ISRs). قدمت قاعدة بيانات مادريغال التابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بيانات حيوية عن محتوى الإلكترون الكلي (TEC) والتلألؤ، والتي تمت معالجتها لتسليط الضوء على الهياكل الأيونوسفيرية خلال تطور العاصفة. بشكل ملحوظ، تم نسب التلألؤ أساسًا إلى هياكل منطقة E، مع تركيز كبير على التوسع الشفقي الأولي وتطور بقع البلازما اللاحقة. كشفت التحليلات أن ارتفاعات بلازما الأيونوسفير القمة وصلت إلى حوالي 630 كم، مع ملاحظات كبيرة لزيادة كثافة البلازما، خاصة خلال المرحلة المبكرة من العاصفة.
تؤكد النتائج على الارتباط المعقد بين الأيونوسفير، والحرارة، والمغناطيسية (ITM) خلال الاضطرابات المغناطيسية الأرضية. أدى النقص الشديد في كثافة بلازما منطقة F الذي لوحظ في اليوم الثاني من العاصفة إلى تقليل ملحوظ في نشاط التلألؤ، على الرغم من استمرار الظروف المغناطيسية الأرضية. يبرز هذا الحاجة إلى نمذجة متكاملة ومتسقة ذاتيًا لإعادة إنتاج استجابة الأيونوسفير بدقة لمثل هذه الأحداث، مما يبرز أهمية فهم استجابات الحرارة للضغط المغناطيسي. تعتبر الدراسة مرجعًا أساسيًا للتحقيقات المستقبلية في ارتباط ITM في العروض العالية وتأثيراته على الأنظمة التكنولوجية، خاصة GNSS وانتشار HF.
DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl111677
Publication Date: 2024-09-27
Author(s): David R. Themens et al.
Primary Topic: Ionosphere and magnetosphere dynamics
Overview
This section investigates the high latitude ionospheric evolution during the geomagnetic storm of May 10-11, 2024, utilizing Total Electron Content (TEC) data alongside Incoherent Scatter Radar (ISR) and ionosonde observations. The study reveals significant plasma lifting within the Storm Enhanced Density (SED) plume, with ionospheric peak heights increasing by 150-300 km, reaching up to 630 km. Initial scintillation is localized to the cusp during the storm’s expansion phase, later spreading across the auroral oval. Following a strong reversal of the Interplanetary Magnetic Field, broad regions of scintillation are rapidly cleared. On May 11, extreme heating and compositional changes lead to the complete absence of the F2-layer, inhibiting high latitude convection and resulting in diminished polar cap scintillation.
The findings underscore the critical role of Ionosphere-Thermosphere-Magnetosphere (ITM) coupling in the dynamics of geomagnetic disturbances. The study tracks the evolution of scintillation from its initial occurrence to the formation of the Tongue of Ionization (ToI) and patches, followed by a severe depletion of plasma density that limits further scintillation despite ongoing geomagnetic activity. The results highlight the necessity of coupled, self-consistent modeling to accurately reproduce the ionospheric response to such storms, emphasizing the importance of understanding thermospheric responses to magnetospheric forcing for predicting impacts on technological systems like Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and high-frequency (HF) propagation. This event serves as a valuable testbed for examining high latitude ITM coupling, particularly with the advancements in monitoring networks and ISR capabilities.
Introduction
The introduction of the study focuses on the May 10-11, 2024 geomagnetic storm, which marked the first Kp 9 event since 2003, exhibiting sustained geomagnetic activity levels exceeding Kp 8 for over 24 hours. This storm is characterized as a 1-in-12.5 year event in intensity and a 1-in-41 year event in duration, providing a unique opportunity to investigate the ionospheric response to prolonged geomagnetic disturbances and their effects on communication and navigation systems. The authors present data on solar wind parameters, geomagnetic indices, and significant features of the Interplanetary Magnetic Field (IMF), highlighting severe electron density depletion at mid and high latitudes that diminished the impact of geomagnetic activity on Global Navigation Satellite Systems (GNSS).
The introduction also discusses the occurrence of Solar Energetic Proton (SEP) events coinciding with the geomagnetic storm, which complicated the analysis due to increased polar cap absorption leading to blackout conditions in the High Frequency (HF) radio band. This limitation affected HF-dependent remote sensing systems. The study aims to explore the implications of the May 2024 storm on the ionosphere and thermosphere, particularly in relation to the formation of the Tongue of Ionization (ToI) and the overall ionospheric response. By comparing the ionospheric reactions to geomagnetic activity at different phases of the storm, the authors seek to elucidate the effects of intense geomagnetic preconditioning on the Ionosphere-Thermosphere (IT) system.
Results
The results of this study reveal significant dynamics in the ionospheric response to a geomagnetic storm, particularly following the expansion of the auroral oval around 1700 UT. Enhanced Total Electron Content (TEC) was observed over Scandinavia and Alaska, with notable phase variations propagating southward. The study identified a Storm-Enhanced Density (SED) plume developing after 1830 UT, which reached the EISCAT Svalbard Radar (ESR) by 2000 UT, coinciding with increased electron densities and scintillation activity. The patches formed during this period exhibited peak heights exceeding 475 km, suggesting substantial ionospheric disturbances, particularly in the polar cap.
As the storm progressed, significant changes in the ionospheric structure were noted, including a pronounced transition to a state of G-Condition, where F1-layer plasma density surpassed that of the F2 layer. This transition was marked by a drastic depletion of electron density, which persisted well into the following days, affecting midlatitude regions such as Eglin. The study highlights that the severe depletion of F-Region plasma was likely due to thermospheric changes induced by auroral heating, which inhibited the formation of Traveling Ionospheric Disturbances (ToIs) and patches, ultimately suggesting that the duration of geomagnetic storms may not directly correlate with GNSS disturbances in high-latitude regions.
Discussion
In this study, we analyze the high-latitude ionospheric response to the May 2024 geomagnetic storm using a variety of observational data, including GNSS receivers, ionosondes, and Incoherent Scatter Radars (ISRs). The Massachusetts Institute of Technology (MIT) Madrigal database provided critical GNSS Total Electron Content (TEC) and scintillation data, which were processed to highlight ionospheric structures during the storm’s evolution. Notably, scintillation was primarily attributed to E-Region structures, with a significant focus on the initial auroral expansion and subsequent plasma patch development. The analysis revealed that peak ionospheric plasma heights reached approximately 630 km, with significant plasma density enhancements observed, particularly during the storm’s early phase.
The findings underscore the intricate coupling between the Ionosphere, Thermosphere, and Magnetosphere (ITM) during geomagnetic disturbances. The severe depletion of F-Region plasma density observed on the second day of the storm led to a marked reduction in scintillation activity, despite ongoing geomagnetic conditions. This highlights the necessity for coupled, self-consistent modeling to accurately reproduce the ionospheric response to such events, emphasizing the importance of understanding thermospheric responses to magnetospheric forcing. The study serves as a foundational reference for future investigations into high-latitude ITM coupling and its implications for technological systems, particularly GNSS and HF propagation.