DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl112179
تاريخ النشر: 2025-01-24
المؤلف: Xiao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الأيونوسفير والمغنطوسفير
نظرة عامة
تدرس الدراسة الفرق في درجة الحرارة أثناء العواصف (ΔT) في الميزوسفير والثرموسفير السفلي خلال عاصفتين جيو مغناطيسيتين شديدتين: عاصفة عيد الأم 2024 وعاصفة عيد الهالوين 2003. من خلال تحليل ملفات درجات الحرارة باستخدام متوسطات جريانية يومية، وجد الباحثون أن ΔT وصلت إلى قيم قصوى تبلغ ≥25 كلفن وامتدت لأسفل إلى حوالي 100 كم على مستوى العالم. فوق 105 كم، كان متوسط ΔT العالمي ≥20 كلفن في الصباح الباكر و≥15 كلفن في فترة ما بعد الظهر المتأخرة، مع تباينات ملحوظة بناءً على خط العرض والوقت المحلي (LT). على وجه الخصوص، في خطوط العرض العالية، كان ΔT أكبر في فترة ما بعد الظهر المتأخرة، على عكس خطوط العرض المتوسطة والمنخفضة حيث بلغ ذروته في الصباح الباكر. يُعزى هذا التباين إلى التسخين والتبريد الأديباتي الناتج عن التغيرات في الدورة الدموية الناجمة عن العواصف خارج البيضة الشفقية.
تسلط النتائج الضوء على التأثير الكبير لإدخال الطاقة أثناء العواصف على ديناميات الغلاف الجوي المحايد والايونوسفير، مشددة على أنه بينما يحدث أقوى إدخال للطاقة في خطوط العرض العالية، فإن تأثيراته شاملة على مستوى العالم. تستنتج الدراسة أن التغيرات في درجة الحرارة الملحوظة خلال العواصف الشديدة أكبر وأكثر وضوحًا من تلك المرتبطة بتأثيرات المد، مما يشير إلى ظاهرة جديدة تستدعي مزيدًا من التحقيق. تعقيد ديناميات الميزوسفير والثرموسفير السفلي، المتأثرة بعوامل مختلفة مثل نقل الحرارة والإشعاع الشمسي، يتطلب دراسات محاكاة إضافية لتوضيح الفيزياء الأساسية لتغيرات درجة الحرارة أثناء العواصف.
مقدمة
تناقش المقدمة التأثيرات الكبيرة للعواصف الجيو مغناطيسية على الايونوسفير والثرموسفير والميزوسفير، مع تسليط الضوء على نقل الطاقة والزخم من المغناطيسية. تؤدي هذه العواصف إلى زيادة درجات الحرارة في الثرموسفير القطب الشمالي وتغير الرياح المحايدة والكثافات في خطوط العرض العالية بسبب تسخين جول وهطول الجسيمات النشطة. تنتشر التغيرات الديناميكية في خطوط العرض العالية نحو خط الاستواء، مما يؤثر على الهياكل الحرارية والديناميكية للثرموسفير في خطوط العرض المتوسطة والمنخفضة من خلال اقتران الأيونات والرياح المحايدة وتغيرات الدورة العالمية. بالإضافة إلى ذلك، تعزز العواصف الجيو مغناطيسية الانبعاثات تحت الحمراء من الثرموسفير، مما يساهم في تأثيرات التبريد التي تعقد ديناميات الميزوسفير والثرموسفير السفلي (MLT).
تؤكد المقدمة على تعقيد تغيرات درجة الحرارة أثناء العواصف في MLT، والتي يمكن أن تكون أكثر دفئًا أو برودة أو غير متغيرة مقارنةً بظروف الهدوء. يعمل MLT كمنطقة انتقالية تتأثر بكل من ديناميات الغلاف الجوي السفلي وإدخالات الطاقة من الأنشطة الشمسية والجيو مغناطيسية. تهدف الدراسة إلى التحقيق في اعتماديات خطوط العرض والوقت المحلي (LT) لفرق درجات الحرارة أثناء العواصف (ΔT) في MLT خلال العواصف الجيو مغناطيسية الكبيرة، مع التركيز بشكل خاص على عاصفة G5 الفائقة التي بدأت في 10 مايو 2024، ومقارنتها مع عاصفة عيد الهالوين في أكتوبر 2003. توفر الملاحظات من أداة SABER، التي تغطي نطاق خطوط عرض من 50°S إلى 82°N، مجموعة بيانات قيمة لهذا التحليل.
الطرق
في هذه الدراسة، يتم تحليل ملفات درجات الحرارة التي تم قياسها بواسطة أداة SABER للتحقيق في استجابة درجات حرارة الميزوسفير-الثرموسفير السفلي (MLT) للعواصف الجيو مغناطيسية الفائقة. تمتد البيانات عبر خطوط عرض من 83°N إلى 52°S، بدقة تبلغ حوالي 3.3-10.5 كلفن عند ارتفاعات من 90-110 كم ودقة عمودية تبلغ 2 كم. تتضمن المنهجية حساب فرق درجة الحرارة أثناء العواصف ($\Delta T$) من خلال مقارنة ملفات درجات الحرارة خلال فترات العواصف مع خط أساس محدد لوقت الهدوء. تركز التحليل على نطاقات خطوط العرض المحددة، وخاصة عند 50°N، وتستخدم متوسطًا جريانيًا يوميًا لعزل تغيرات درجة الحرارة الناتجة عن العواصف عن تلك الناتجة عن عمليات جوية أخرى مثل المد والجزر والأمواج الجاذبية.
تشير النتائج إلى أنه خلال فترات العواصف، تكون ملفات درجات الحرارة عمومًا أكثر دفئًا، مع وصول $\Delta T$ إلى مقادير لا تقل عن 30 كلفن فوق 105 كم و15 كلفن فوق 98 كم عند 50°N. تسلط الدراسة الضوء على أهمية التمييز بين التغيرات في درجة الحرارة الناتجة عن العواصف والتغيرات الخلفية، مشيرة إلى أنه بينما تؤثر المد والجزر المتحركة بشكل أقل (أقل من 10 كلفن)، فإن الزيادات في درجة الحرارة المرتبطة بالعواصف كبيرة وتتجاوز 15 كلفن. توفر هذه المنهجية فهمًا أوضح للاستجابات الجوية للأحداث الجيو مغناطيسية، مما يساهم في المجال الأوسع لأبحاث الطقس الفضائي.
المناقشة
في هذا القسم، يحلل المؤلفون فرق درجات الحرارة أثناء العواصف ($\Delta T$) في الميزوسفير والثرموسفير السفلي (MLT) خلال عاصفتين جيو مغناطيسيتين كبيرتين: عاصفة عيد الهالوين 2003 وعاصفة عيد الأم 2024. تكشف الدراسة أنه خلال عاصفة عيد الهالوين، التي بلغت ذروتها بمؤشر ap قدره 400 نانو تسلا، كانت $\Delta T$ عمومًا أكثر دفئًا خلال فترات العواصف مقارنة بأوقات الهدوء، مع زيادات ملحوظة تبلغ ≥30 كلفن فوق 106 كم في الصباح الباكر. بالمقابل، أظهرت عاصفة عيد الأم، على الرغم من قصر مدتها، قيمًا أكبر وأكثر انتقالًا لـ $\Delta T$، مما يشير إلى أن شدة العاصفة ومدة تأثيرها تؤثر بشكل كبير على تغيرات درجة الحرارة في MLT.
تسلط النتائج الضوء أيضًا على اعتماديات الوقت المحلي (LT) وخط العرض لـ $\Delta T$. عند خطوط العرض فوق 50°N، كانت $\Delta T$ أكبر في العقدة الهابطة (فترة ما بعد الظهر) مقارنة بالعقدة الصاعدة (الصباح)، بينما كان العكس صحيحًا عند خطوط العرض المنخفضة. يُعزى المؤلفون هذه التباينات إلى التفاعل بين الدورة الدموية الناتجة عن العواصف والدورة الهادئة الخلفية، التي تتأثر بعوامل مثل تسخين جول والإشعاع الشمسي. تستنتج الدراسة أن الزيادات الملحوظة في درجة الحرارة خلال العواصف الشديدة ليست فقط كبيرة ولكنها أيضًا تظهر ديناميات معقدة تستدعي مزيدًا من التحقيق من خلال المحاكاة العددية لفهم العمليات الفيزيائية الأساسية بشكل كامل.
DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl112179
Publication Date: 2025-01-24
Author(s): Xiao Liu et al.
Primary Topic: Ionosphere and magnetosphere dynamics
Overview
The study investigates the storm-time temperature difference (ΔT) in the mesosphere and lower thermosphere during two extreme geomagnetic storms: the 2024 Mother’s Day storm and the 2003 Halloween storm. By analyzing temperature profiles using daily zonal running means, the researchers found that ΔT reached peak values of ≥25 K and extended downward to approximately 100 km globally. Above 105 km, the global mean ΔT was ≥20 K in the early morning and ≥15 K in the late afternoon, with notable variations based on latitude and local time (LT). Specifically, at high latitudes, ΔT was greater in the late afternoon, contrasting with middle and low latitudes where it peaked in the early morning. This discrepancy is attributed to adiabatic warming and cooling resulting from storm-induced circulation changes outside the auroral oval.
The findings highlight the significant impact of storm-time energy input on the dynamics of the neutral atmosphere and ionosphere, emphasizing that while the strongest energy input occurs at high latitudes, its effects are globally pervasive. The study concludes that the observed temperature changes during extreme storms are larger and more distinct than those associated with tidal effects, suggesting a novel phenomenon that warrants further investigation. The complexity of the mesosphere and lower thermosphere dynamics, influenced by various factors such as heat advection and solar radiation, necessitates additional simulation studies to elucidate the underlying physics of storm-time temperature variations.
Introduction
The introduction discusses the significant effects of geomagnetic storms on the ionosphere, thermosphere, and mesosphere, highlighting the energy and momentum transfer from the magnetosphere. These storms lead to increased temperatures in the polar cap thermosphere and alter neutral winds and densities at high latitudes due to Joule heating and energetic particle precipitation. The dynamic changes at high latitudes propagate equatorward, affecting the thermal and dynamic structures of the thermosphere at middle and low latitudes through ion-neutral coupling and global circulation alterations. Additionally, geomagnetic storms enhance infrared emissions from the thermosphere, contributing to cooling effects that complicate the dynamics of the mesosphere and lower thermosphere (MLT).
The introduction emphasizes the complexity of storm-time temperature variations in the MLT, which can be warmer, cooler, or unchanged compared to quiet-time conditions. The MLT serves as a transitional region influenced by both lower atmospheric dynamics and energy inputs from solar and geomagnetic activities. The study aims to investigate the latitude and local time (LT) dependencies of storm-time temperature differences (ΔT) in the MLT during significant geomagnetic storms, specifically focusing on a G5 superstorm that began on May 10, 2024, and comparing it with the Halloween storm of October 2003. Observations from the SABER instrument, covering a latitude range of 50°S to 82°N, provide a valuable dataset for this analysis.
Methods
In this study, temperature profiles measured by the SABER instrument are analyzed to investigate the response of mesosphere-lower thermosphere (MLT) temperatures to geomagnetic superstorms. The data spans latitudes from 83°N to 52°S, with a precision of approximately 3.3-10.5 K at altitudes of 90-110 km and a vertical resolution of 2 km. The methodology involves calculating the storm-time temperature difference ($\Delta T$) by comparing temperature profiles during storm periods to a defined quiet-time baseline. The analysis focuses on specific latitude bands, particularly at 50°N, and employs a daily zonal running mean to isolate temperature variations due to storms from those caused by other atmospheric processes such as tides and gravity waves.
The results indicate that during storm periods, temperature profiles are generally warmer, with $\Delta T$ reaching magnitudes of at least 30 K above 105 km and 15 K above 98 km at 50°N. The study highlights the importance of distinguishing between storm-induced temperature changes and background variations, noting that while migrating tides have a smaller impact (less than 10 K), the temperature enhancements associated with storms are significant and exceed 15 K. This methodological approach provides a clearer understanding of the atmospheric responses to geomagnetic events, contributing to the broader field of space weather research.
Discussion
In this section, the authors analyze the storm-time temperature differences ($\Delta T$) in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) during two significant geomagnetic storms: the 2003 Halloween storm and the 2024 Mother’s Day storm. The study reveals that during the Halloween storm, which peaked with an ap index of 400 nT, $\Delta T$ was generally warmer during storm periods compared to quiet times, with notable increases of ≥30 K above 106 km in the early morning. In contrast, the Mother’s Day storm, although shorter in duration, exhibited larger and more transient $\Delta T$ values, indicating that storm intensity and duration significantly influence temperature changes in the MLT.
The findings also highlight the local time (LT) and latitude dependencies of $\Delta T$. At latitudes above 50°N, $\Delta T$ was larger in the descending node (afternoon) than in the ascending node (morning), while the opposite was true at lower latitudes. The authors attribute these variations to the interplay between storm-induced circulation and the background quiet-time circulation, which is affected by factors such as Joule heating and solar radiation. The study concludes that the observed temperature enhancements during extreme storms are not only significant but also exhibit complex dynamics that warrant further investigation through numerical simulations to fully understand the underlying physical processes.