DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl110632
تاريخ النشر: 2024-08-09
المؤلف: D. K. Karan وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الأيونوسفير والمغنطوسفير
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نستخدم جهاز التصوير GOLD التابع لناسا لرصد الديناميات الأيونوسفيرية في الجانب الليلي خلال عاصفة جيومغناطيسية شديدة من الفئة G5 التي حدثت في 10 و11 مايو 2024. ومن الملاحظ أننا رصدنا اندماجًا كبيرًا لقمة القطب الجنوبي للشذوذ الأيوني الاستوائي (EIA) مع المنطقة الشفقية بالقرب من الطرف الجنوبي لأمريكا الجنوبية. أظهرت قمة EIA الجنوبية حركة سريعة نحو القطب، حيث وصلت السرعات إلى 450 م/ث. في الوقت نفسه، امتدت الحدود الشفقية نحو خط الاستواء أكثر مما هو معتاد، مما أثر على المناطق المتوسطة العرض وأشار إلى عدم وجود أيونوسفير في هذه المنطقة.
توفر هذه النتائج رؤى حاسمة حول استجابة الأيونوسفير للأحداث الجيومغناطيسية الشديدة، مما يبرز التفاعلات المعقدة بين النشاط الشمسي والغلاف الجوي العلوي للأرض. تقدم هذه الأبحاث ملاحظات غير مسبوقة لسلوك الأيونوسفير خلال عاصفة جيومغناطيسية شديدة، مما يساهم في فهمنا لظواهر الطقس الفضائي وتأثيراتها على الأيونوسفير.
مقدمة
تصنف الأيونوسفير الأرضية إلى ثلاث مناطق عرضية بناءً على المجال المغناطيسي للأرض: الأيونوسفير الاستوائية والمنخفضة العرض (±∼20° عرض مغناطيسي)، الأيونوسفير القطبي العالي العرض (∼60° إلى ∼90° عرض مغناطيسي)، والأيونوسفير المتوسطة العرض (∼20° إلى ∼60° عرض مغناطيسي). من الميزات الملحوظة للأيونوسفير الاستوائية والمنخفضة العرض هو الشذوذ الأيوني الاستوائي (EIA)، الذي يتميز بهيكل مزدوج القمة في كثافة الأيونوسفير بسبب رفع البلازما والحركة اللاحقة المتأثرة بالحقول الكهربائية وتدرجات الضغط. تتأثر عرض و كثافة قمم EIA بعوامل مختلفة، بما في ذلك الرياح المحايدة والظروف الجيومغناطيسية.
خلال العواصف الجيومغناطيسية، تحدث تغييرات كبيرة في شكل EIA. على سبيل المثال، خلال عاصفة ضعيفة في عام 2020، انتقلت قمم EIA نحو القطب بمقدار حوالي 8°، بينما تسببت عاصفة متوسطة في عام 2023 في انتقال بمقدار 11°. ومن الملاحظ أنه خلال عاصفة هالوين الشديدة في عام 2003، اندمجت قمم EIA مع المنطقة الشفقية، مما يمثل أول ملاحظة لمثل هذا الحدث. تركز هذه الدراسة على عاصفة جيومغناطيسية شديدة من الفئة G5 في 10 مايو 2024، حيث التقطت مهمة GOLD التابعة لناسا ملاحظات ليلية تكشف عن حركة كبيرة نحو القطب لقمم EIA وتوسع نحو خط الاستواء للشفق، مما أدى إلى الاندماج غير المسبوق لـ EIA مع المنطقة الشفقية واختفاء الأيونوسفير المتوسطة العرض.
النتائج
توضح النتائج من الدراسة، كما هو موضح في الشكل 1، الصور التي تم التقاطها بواسطة أداة GOLD خلال عاصفة جيومغناطيسية في 10 و11 مايو 2024. تكشف هذه الصور عن بقع سطوع معززة، تم تحديدها على أنها قمم الشذوذ الأيوني الاستوائي (EIA)، الموجودة على جانبي خط الاستواء المغناطيسي. ومن الملاحظ أن قمة EIA الجنوبية أظهرت حركة سريعة نحو القطب، حيث اندمجت مع الشفق في المحيط الأطلسي الجنوبي بالقرب من الطرف الجنوبي لأمريكا الجنوبية. تمثل هذه الدراسة أول ملاحظة لاختفاء الأيونوسفير المتوسطة العرض خلال مثل هذه الظروف، مما يتناقض مع النتائج السابقة التي لاحظت خصائص متوسطة العرض النموذجية.
أشارت تحليل قمم EIA، التي تم تحويلها إلى إحداثيات جيومغناطيسية شبه ثنائية القطب، إلى أن المواقع القصوى نحو القطب لوحظت بين حوالي 60°-65° غربًا، مع متوسط عرض قمم يبلغ حوالي 36.5° شمالًا و33° جنوبًا. كانت الحركة نحو القطب لقمة EIA الجنوبية، التي انتقلت من 18° جنوبًا إلى 27° جنوبًا بسرعة حوالي 280 م/ث، متأثرة بشكل كبير بالحقول الكهربائية التي تتغلغل في المناطق الاستوائية والمنخفضة العرض. أكدت قياسات الأيونوسون هذه النتائج، حيث كشفت عن زيادة في كثافة الإلكترونات وارتفاع في حركة البلازما، مما يدعم فكرة تأثير النافورة الفائقة خلال العاصفة. بالإضافة إلى ذلك، وثقت الدراسة الحركة الغربية لفقاعات البلازما الاستوائية (EPBs) وتفاعلها مع EIA، مما يبرز الديناميات المعقدة للأيونوسفير خلال الاضطرابات الجيومغناطيسية.
المناقشة
في هذه الدراسة، نقوم بتحليل صور جزئية لقرص الليل تم التقاطها بواسطة أداة GOLD، التي تعمل في مدار ثابت عند 47.5° غربًا، مع التركيز على انبعاثات الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (FUV) من الأرض. تم تجهيز أداة GOLD بقناتين (A و B) لقياس انبعاثات الإضاءة الجوية عند OI 135.6 نانومتر، المرتبطة بإعادة تركيب أيونات الأكسجين الذري والإلكترونات في الأيونوسفير. تغطي البيانات مناطق فوق أمريكا الجنوبية، والمحيط الأطلسي، وغرب إفريقيا خلال الأوقات المحلية من 19 إلى 22، مما يوفر رؤى حول الديناميات المكانية والزمنية لظواهر الأيونوسفير-الحرارية في الجانب الليلي. تم استخدام بيانات سياقية، بما في ذلك معلمات الرياح الشمسية وملاحظات الأيونوسون، للتحقيق في التغيرات الأيونوسفيرية خلال عاصفة جيومغناطيسية كبيرة.
تشمل النتائج الرئيسية من الملاحظات خلال العاصفة الجيومغناطيسية الشديدة في 10-11 مايو 2024، وصول قمم الشذوذ الأيوني الاستوائي (EIA) الشمالية والجنوبية إلى حوالي 38° شمالًا و35° جنوبًا من العرض المغناطيسي، على التوالي. ومن الملاحظ أن قمة EIA الجنوبية أظهرت حركة سريعة نحو القطب، بسرعات تبلغ حوالي 280 م/ث و450 م/ث عند خطوط طول مختلفة. كما شكلت قمة EIA الجنوبية شكل “V” بالقرب من خط طول 40° غربًا، مما يشير إلى انتقال كبير نحو القطب خلال ذروة العاصفة. من المهم أن تشير الدراسة إلى أول ملاحظة لاندماج قمة EIA الليلية مع الشفق، مما يبرز التفاعلات الديناميكية بين هذه الهياكل وغياب الأيونوسفير المتوسطة العرض خلال هذا الحدث.
DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl110632
Publication Date: 2024-08-09
Author(s): D. K. Karan et al.
Primary Topic: Ionosphere and magnetosphere dynamics
Overview
In this study, we utilize NASA’s Global-scale Observations of the Limb and Disk (GOLD) imager to investigate the nightside ionospheric dynamics during the G5 super geomagnetic storm that occurred on May 10 and 11, 2024. Notably, we observed a significant merging of the southern crest of the Equatorial Ionization Anomaly (EIA) with the auroral region near the southern tip of South America. The EIA southern crest exhibited a rapid poleward movement, reaching speeds of up to 450 m/s. Concurrently, the auroral boundary extended further equatorward than typically observed, impacting mid-latitude regions and indicating a lack of a mid-latitude ionosphere in this area.
These findings provide critical insights into the ionospheric response to extreme geomagnetic events, emphasizing the intricate interactions between solar activity and the Earth’s upper atmosphere. This research presents unprecedented observations of the ionospheric behavior during a super geomagnetic storm, contributing to our understanding of space weather phenomena and their effects on the ionosphere.
Introduction
The terrestrial ionosphere is categorized into three latitude regions based on Earth’s magnetic field: the equatorial and low-latitude ionosphere (±∼20° magnetic latitude), the high-latitude polar cap and auroral ionosphere (∼60° to ∼90° Mlat), and the mid-latitude ionosphere (∼20° to ∼60° Mlat). A notable feature of the equatorial and low-latitude ionosphere is the Equatorial Ionization Anomaly (EIA), characterized by a double-peaked structure in ionospheric density due to plasma uplift and subsequent motion influenced by electric fields and pressure gradients. The latitude and intensity of the EIA crests are affected by various factors, including neutral winds and geomagnetic conditions.
During geomagnetic storms, significant alterations occur in the EIA morphology. For instance, during a weak storm in 2020, the EIA crests shifted poleward by approximately 8°, while a moderate storm in 2023 caused an 11° poleward shift. Notably, during the intense Halloween storm of 2003, the EIA crests merged with the auroral region, marking the first observation of such an event. This study focuses on the recent G5 super geomagnetic storm on 10 May 2024, during which NASA’s GOLD mission captured nighttime observations revealing substantial poleward movement of the EIA crests and equatorward expansion of the aurora, leading to the unprecedented merging of the EIA with the auroral region and the disappearance of the mid-latitude ionosphere.
Results
The results from the study, as depicted in Figure 1, illustrate the 135.6 nm images captured by the GOLD instrument during a geomagnetic storm on 10 and 11 May 2024. These images reveal enhanced brightness patches, identified as the equatorial ionization anomaly (EIA) crests, located on either side of the magnetic equator. Notably, the southern EIA crest exhibited rapid poleward movement, merging with the aurora in the southern Atlantic Ocean and near the southern tip of South America. This study marks the first observation of the mid-latitude ionosphere’s disappearance during such conditions, contrasting with previous findings that noted typical mid-latitude characteristics.
The analysis of the EIA crests, transformed into quasi-dipole geomagnetic coordinates, indicated that the maximum poleward locations were observed between approximately 60°-65°W geographic longitude, with average crest latitudes of about 36.5°N and 33°S magnetic latitude. The observed poleward motion of the southern EIA crest, shifting from 18°S to 27°S magnetic latitude at a speed of approximately 280 m/s, was significantly influenced by electric fields penetrating into equatorial and low-latitude regions. Concurrent ionosonde measurements corroborated these findings, revealing increased electron density and upward plasma drifts, further supporting the notion of a super fountain effect during the storm. Additionally, the study documented the westward motion of equatorial plasma bubbles (EPBs) and their interaction with the EIA, highlighting the complex dynamics of the ionosphere during geomagnetic disturbances.
Discussion
In this study, we analyze nocturnal partial disk images captured by the GOLD instrument, which operates in a geostationary orbit at 47.5° W, focusing on far ultraviolet (FUV) emissions from Earth. The GOLD instrument, equipped with two channels (A and B), measures airglow emissions at OI 135.6 nm, linked to the recombination of atomic oxygen ions and electrons in the ionosphere. The data covers regions over South America, the Atlantic, and West Africa during local times from 19 to 22, providing insights into the spatio-temporal dynamics of nightside ionospheric-thermospheric phenomena. Contextual data, including solar wind parameters and ionosonde observations, were utilized to investigate ionospheric changes during a significant geomagnetic storm.
Key findings from the observations during the super geomagnetic storm on May 10-11, 2024, include the northern and southern equatorial ionization anomaly (EIA) crests reaching approximately 38°N and 35°S magnetic latitude, respectively. Notably, the southern EIA crest exhibited rapid poleward motion, with speeds of approximately 280 m/s and 450 m/s at different longitudes. The southern EIA crest also formed a “V” shape near 40°W longitude, indicating a significant poleward shift during the storm’s peak. Importantly, the study reports the first observation of the nighttime EIA crest merging with the aurora, highlighting the dynamic interactions between these structures and the absence of a mid-latitude ionosphere during this event.