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编者按：
3月26日，2026年中关村论坛·国家重大科技基础设施开放共享论坛暨怀柔综合性国家科学中心重大成果发布会在怀柔科学城举行，集中发布了8项怀柔科学中心具有代表性的重大突破性成果。其中，中国科学院国家空间科学中心团队依托子午工程取得的成果引人注目，该研究揭示了2024年5月极端地磁暴期间电离层的完整响应机制，并在全球尺度上发现了南北半球响应的不对称性。
观天巨网汇于怀柔子午工程总部：席卷全球的超级地磁暴何以被看见？
2024年5月10日中国气象微信视频直播地磁暴出现的极光画面
地磁暴，一个离大部分普通公众十分遥远的天文学名词。提及这个词，首先映入大众脑海的是太阳风与地球磁场激烈交锋时在夜空中流动的绚丽色彩——极光。
然而，地磁暴带来的远不止这些。在美丽极光的背后，电离层电子密度的剧烈变化，悄无声息地影响着普通人的生活：短波通信用户可能发现频道大面积中断、换频率也无济于事；依赖精密导航作业的农业机械会出现定位偏差，播种行列无法保持笔直。
2024年5月，一场超级地磁暴席卷全球。中国科学院国家空间科学中心研究团队以此为契机，依托国家重大科技基础设施子午工程二期监测网多种电离层探测设备，为上述现象背后的物理机制提供了完整的观测证据，首次系统记录并分析了中低纬地区观测到电子密度近乎消失的极端负相变化，并在全球尺度上揭示了南北半球响应的明显不对称性，完整厘清了从磁层能量注入到热层成分扰动、再到电离层极端变化的因果链条。
消失的“镜子”
地球上空60~1000公里的高空，存在一层充满自由电子的大气层，科学家称之为电离层。对于无线电波来说，它就是一面天然的“镜子”，能够反射或折射信号，让信号绕过地平线传播至遥远的另一端，支撑着人类的短波通信与长波导航，亦会对穿透它的卫星通信和导航信号质量产生影响。
然而，这面“镜子”并非坚不可摧。强烈的地磁暴会打破电离层的平衡，导致电子密度骤降，镜子随之“破碎”。
“我们早就预计到5月10日左右会有很强的地磁暴发生。”中国科学院国家空间科学中心研究员陈艳红回忆道，早在事件发生前，已经爆发了好几次大级别太阳耀斑，团队立即与子午工程团队联动，提前启动了加密观测，专门捕捉这次事件期间的数据。
然而，分析数据时，反常的数值让在场的科研人员一头雾水。当时团队画了地图，预先设定了坐标轴的数值范围，但这次电离层电子密度下降的幅度，已经超出了坐标轴的下限，“大家第一反应是数据出问题了”。
反复核查后，研究人员发现数据没有任何问题，而是电离层的电子密度出现了极端程度的骤降。
清晰的因果链条就此浮现——地磁暴发生时，高能粒子在极区沉降并加热高层大气，使底层富含氮气分子的空气被抬升至电离层高度。由于氮气分子会加速电子与离子的复合过程，电子被更快消耗，导致电离层电子密度下降。同时，磁暴产生的扰动电场将等离子体向低空输运，使电子进入分子更密集的区域，进一步增强其消耗速率。在这两种机制的共同作用下，原本能够反射无线电信号的电离层迅速变弱，甚至出现“消失”的现象。那面反射或折射信号的“镜子”，便在无声之中变薄，乃至消失。
波折中的意外收获
基于中国地区的观测数据，团队梳理出了完整的链条，并将这一发现整理成文。然而，成果发表的路上，一波三折。
稿件投出后，审稿专家给出了直接而犀利的意见：仅凭中国地区的观测数据不够，需要结合全球变化进行更系统的分析，此外，还需要加入数值模拟，陈艳红分享道：“审稿专家也表示，这个修改难度很大。”
那段时间，团队沉默了很久。但陈艳红思来想去，觉得放弃意味着前功尽弃：“专家提的意见只是做起来很难，但并不是不能做。”
于是过完年后，她把几年前做全球数据分析的程序翻了出来。“我把程序调出来一跑，发现还能跑，当时很高兴。”重新收集数据、引入多颗卫星的观测结果、补做数值模拟、阅读大量关于这次及历史磁暴事件的文献……在原有基础上，团队齐心协力，一点点啃下几乎不可能完成的修改，将文章内容扩充了整整两三倍。
这次深挖带来了意想不到的收获。在全球尺度上，虽然磁暴发生时南北半球都有低氧氮比向赤道扩展并且电子密度大幅下降的现象，但南北半球的电离层恢复节奏明显不同步，其原因在于夏冬半球之间本就存在背景中性风，会引起北半球夏季高层大气中氧氮比([O]/[N₂])低于南半球，因此南半球低氧氮比区域会在这个背景中性风作用下迅速吹散，使电子密度加快恢复；北季半球则恰恰相反，扰动因此得以长时间维持。多颗卫星的观测数据与数值模拟共同证实了这一推断，让南北不对称性从现象描述上升为有据可查的科学结论。“第二轮审稿时，专家几乎没有提出新的修改要求”，那道曾经“几乎不可能完成”的难题，推动着研究从单一视角扩展至全球视野，形成了更完整、更具价值的研究。
2024年特大地磁暴期间子午工程捕捉到中国地区TEC显著降低和高频电波信号中断
守望地球空间的“眼睛”
这一发现，离不开多双守望地球空间的“眼睛”，它们都依托于我国空间天气领域的重大科技基础设施——子午工程。子午工程一期与二期在全国布设了三十余个观测台站，覆盖电离层、磁层等多个圈层，形成一张从地面实现对日地空间环境全圈层、多要素综合的立体式探测网络。
在这次超级地磁暴的研究中，子午工程二期监测网几乎调动了所有主要设备：遍布全国的GNSS电离层TEC与闪烁监测仪、多个台站的测高仪、非相干散射雷达、双通道光学干涉仪……不同的仪器从不同角度、高度、物理量出发，提供了多圈层、多参数的复杂数据集，助力科研人员共同描绘出这场空间风暴的完整轮廓。“这些是支撑我们物理机理解释的关键，也希望我们这次研究产生的观测数据成为更多青年科研人员的灵感源头”，陈艳红说。
团队下一步的目标是在对电离层磁暴响应机制理解日益深入的基础上，建立一套可以提前预报磁暴后电离层变化的预报模型，让这些来之不易的科学认知，真正转化为对通信、导航等应用领域的切实保障。
子午工程分布于全国，其核心中枢落地于怀柔科学城。中国科学院国家空间科学中心怀柔园区里，子午工程综合信息与运控中心承担着运行管理、数据汇聚与国际合作等核心功能。正是这一体系的长期积累与持续投入，使中国科学家得以在关键时刻拿出自己的数据，在科学前沿持续深扎、向远生长。
来源：怀柔科学城公众号
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