DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl110506
تاريخ النشر: 2024-08-16
المؤلف: J. S. Evans وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الأيونوسفير والمغنطوسفير
نظرة عامة
في 10 مايو 2024، أنتجت المنطقة النشطة AR3664 على الشمس سبعة انفجارات كتلية إكليلية (CMEs) أدت إلى عاصفة جيومغناطيسية شديدة من الفئة G5، بدأت في الساعة 17:05 بتوقيت العالم المنسق. كان لهذه العاصفة تأثيرات كبيرة، بما في ذلك اضطرابات في شبكات الطاقة وأنظمة الملاحة الدقيقة، بالإضافة إلى الشفق القطبي العالمي. ومن الجدير بالذكر أن العاصفة أحدثت تغييرات كبيرة في الغلاف الحراري للأرض، والتي تم رصدها لأول مرة بواسطة مهمة ناسا للملاحظات العالمية لحافة القرص (GOLD). استخدمت الدراسة صور القرص التزامني لربط ديناميات العاصفة بالتغيرات في تركيبة الغلاف الحراري ودرجة الحرارة.
تكشف النتائج عن شكل مكاني غير مسبوق في الغلاف الحراري، يتميز بتغيرات في نسبة الأكسجين الذري إلى النيتروجين الجزيئي ($\Sigma O/N_2$)، ودرجة الحرارة المحايدة، ومحتوى الإلكترونات الكلي. وثقت الأبحاث اختلافات في درجات الحرارة من خط الاستواء إلى القطب تصل إلى 400 كلفن، مع درجات حرارة محايدة قصوى تتجاوز 1400 كلفن عند خطوط العرض العالية على ارتفاع حوالي 160 كم. تسلط هذه الملاحظات الضوء على التأثيرات الجوية الكبيرة للنشاط الشمسي على الغلاف الجوي العلوي للأرض، مما يوفر رؤى جديدة حول ديناميات العواصف الجيومغناطيسية.
مقدمة
تتناول المقدمة حدوث عاصفة جيومغناطيسية شديدة من الفئة G5، تُسمى عاصفة غانون الكبرى، والتي بدأت في 10 مايو 2024، بعد سلسلة من سبعة انفجارات كتلية إكليلية (CMEs) من المنطقة النشطة AR3664. هذه العاصفة ملحوظة لكونها واحدة من أفضل 20 عاصفة عظمى في الـ 500 عام الماضية، حيث أثرت بشكل كبير على شبكات الطاقة وأنظمة الملاحة، بينما أنتجت شفقًا قطبيًا واسع الانتشار يمكن رؤيته في كلا نصفي الكرة الأرضية. قدمت مهمة ناسا GOLD ملاحظات تزامنية غير مسبوقة حول تأثيرات العاصفة على الغلاف الحراري للأرض، كاشفة عن تغييرات كبيرة في التركيبة ودرجة الحرارة والديناميات التي لم يتم توثيقها بهذا الحجم من قبل.
تؤكد الأبحاث على دور الرياح المحايدة في نظام الغلاف الحراري-الأيونوسفير (TI)، خاصة خلال العواصف الجيومغناطيسية، حيث تؤدي المدخلات الطاقية المعززة إلى تسخين قوي وسحب أيوني، مما يؤثر على أنماط الرياح العالمية. تهدف الدراسة إلى تحليل صور القرص التزامني لنسبة كثافة العمود من الأكسجين الذري إلى النيتروجين الجزيئي ($\Sigma O/N_2$) ودرجة الحرارة المحايدة، مع تسليط الضوء على العلاقة بين تغييرات تركيبة الغلاف الحراري والديناميات التي تلت عاصفة غانون الكبرى. تسعى هذه التحقيقات إلى تعزيز فهم كيفية تطور هذه التغييرات زمنيًا ومكانيًا، مما يساهم في المعرفة الأوسع حول استجابات الغلاف الحراري للنشاط الجيومغناطيسي.
نقاش
تستعرض قسم النقاش في الورقة التأثيرات الكبيرة لعاصفة 10-12 مايو الجيومغناطيسية على الغلاف الحراري للأرض، كما لوحظت بواسطة مهمة GOLD التابعة لناسا. بعد اكتشاف عدة انفجارات كتلية إكليلية (CMEs)، أصدرت NOAA تحذيرًا بشأن الطقس الفضائي القاسي، مما أدى إلى زيادات ملحوظة في سرعة الرياح الشمسية والاضطرابات الجيومغناطيسية. قدم جهاز GOLD، الذي يلتقط الانبعاثات فوق البنفسجية من الغلاف الجوي للأرض، بيانات حيوية حول تركيبة الغلاف الحراري ودرجة الحرارة خلال العاصفة. تشير النتائج إلى شكل دراماتيكي في الغلاف الحراري، يتميز برياح متجهة نحو خط الاستواء وتغيرات في النسب الجزيئية، وخاصة انخفاض في نسبة ΣO/N₂ عند خطوط العرض العالية وزيادة عند خطوط العرض الاستوائية.
تسلط الدراسة الضوء على العلاقة بين ديناميات الغلاف الحراري والتغيرات في التركيبة ودرجة الحرارة، كاشفة عن درجات حرارة محايدة قصوى تتجاوز 1400 كلفن عند خطوط العرض العالية وتدرجات حرارة كبيرة عبر خطوط العرض. تشير النتائج إلى أن التسخين الناتج عن العاصفة والرياح الميريدية اللاحقة تلعب دورًا حاسمًا في نقل الاضطرابات الجوية. ومع ذلك، يعترف المؤلفون بالتحدي المتمثل في تشخيص الشكل المرصود بالكامل بسبب نقص بيانات الرياح المتزامنة. ويؤكدون على أهمية المهام المستقبلية، مثل المهمة المقترحة DYNAMIC، لتعزيز فهم استجابات الغلاف الحراري للعواصف الجيومغناطيسية وتوفير ملاحظات شاملة حول الديناميات الجوية.
DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl110506
Publication Date: 2024-08-16
Author(s): J. S. Evans et al.
Primary Topic: Ionosphere and magnetosphere dynamics
Overview
On May 10, 2024, active region AR3664 on the Sun produced seven coronal mass ejections (CMEs) that triggered an extreme G5 geomagnetic storm, commencing at 17:05 UT. This storm had significant impacts, including disruptions to power grids and precision navigation systems, as well as global auroras. Notably, the storm induced substantial changes in the Earth’s thermosphere, which were observed for the first time by NASA’s Global-scale Observations of the Limb and Disk (GOLD) mission. The study utilized synoptic disk images to correlate the storm’s dynamics with alterations in thermospheric composition and temperature.
The findings reveal unprecedented spatial morphology in the thermosphere, characterized by variations in the ratio of atomic oxygen to molecular nitrogen ($\Sigma O/N_2$), neutral temperature, and total electron content. The research documented equator-to-pole temperature differences reaching 400 K, with peak neutral temperatures exceeding 1400 K at high latitudes around 160 km altitude. These observations highlight the significant atmospheric effects of solar activity on the Earth’s upper atmosphere, providing new insights into the dynamics of geomagnetic storms.
Introduction
The introduction details the occurrence of an extreme G5 geomagnetic storm, termed the Gannon superstorm, which began on May 10, 2024, following a series of seven coronal mass ejections (CMEs) from active region AR3664. This storm is notable for being one of the top 20 Great Storms in the past 500 years, significantly impacting power grids and navigational systems, while producing widespread auroras visible in both hemispheres. The NASA GOLD mission provided unprecedented synoptic observations of the storm’s effects on the Earth’s thermosphere, revealing substantial changes in composition, temperature, and dynamics that had not been documented at this scale before.
The research emphasizes the role of neutral winds in the Thermosphere-Ionosphere (TI) system, particularly during geomagnetic storms, where enhanced energy inputs lead to strong heating and ion drag, affecting global wind patterns. The study aims to analyze the synoptic disk images of the column density ratio of atomic oxygen to molecular nitrogen ($\Sigma O/N_2$) and neutral temperature, highlighting the correlation between thermospheric composition changes and the dynamics following the Gannon superstorm. This investigation seeks to advance understanding of how these changes evolve temporally and spatially, contributing to the broader knowledge of thermospheric responses to geomagnetic activity.
Discussion
The discussion section of the paper outlines the significant impacts of the May 10-12 geomagnetic storm on the Earth’s thermosphere, as observed by NASA’s GOLD mission. Following the detection of multiple coronal mass ejections (CMEs), NOAA issued a warning for severe space weather, which resulted in notable increases in solar wind speed and geomagnetic disturbances. The GOLD instrument, which captures ultraviolet emissions from the Earth’s atmosphere, provided critical data on thermospheric composition and temperature during the storm. The findings indicate a dramatic morphology in the thermosphere, characterized by equatorward winds and alterations in molecular ratios, particularly a reduction in the ΣO/N₂ ratio at high latitudes and an increase at equatorial latitudes.
The study highlights the correlation between thermospheric dynamics and changes in composition and temperature, revealing peak neutral temperatures exceeding 1400 K at high latitudes and significant temperature gradients across latitudes. The results suggest that storm-induced heating and subsequent meridional winds play a crucial role in transporting atmospheric disturbances. However, the authors acknowledge the challenge of fully diagnosing the observed morphology due to a lack of concurrent wind data. They emphasize the importance of future missions, such as the proposed DYNAMIC mission, to enhance understanding of thermospheric responses to geomagnetic storms and to provide comprehensive observations of atmospheric dynamics.