日食是一種獨特的天文現象，日食期間，太陽輻射大幅降低，引起一系列大氣層和電離層的變化。從20世紀70年代起，學界就已開始關注日食引起的電離層變化。由於月球的遮擋，日食期間地球上部分區域高層大氣接收到的太陽極紫外和X射線輻射大幅下降，電離層的離子產生率和加熱率均顯著下降，引起電離層光化學、動力學過程等一系列變化，導致電離層熱層的密度、溫度、風場等出現擾動。但已有研究認為日食是一個局部現象，對地球大氣層和電離層的影響主要集中在日食陰影區（特別是全食區）附近。2018年7月，北美洲的日全食覆蓋了美國大部分區域，在此次日食觀測模擬研究中，有學者認為日食期間電離層擾動不局限在日食區，日食可能會引起更大範圍甚至是全球的擾動，哪些物理過程對該種更大範圍電離層擾動起主導作用值得深入研究和探討。
日食期間，電離層/熱層在日食陰影區的密度溫度擾動，可能通過熱層大氣環流變化、沿磁力線的等離子體輸運、沿磁力線的熱傳導等過程，從一個半球傳到其磁共軛半球。2020年6月21日的日環食橫跨亞洲中緯地區，其磁共軛在南半球的澳洲有被觀測到，此期間還有一些相關的衛星飛過日食區及共軛半球，這為研究日食期間電離層共軛半球響應提供了良好的條件。中國科學院地球與行星物理院重點實驗室研究員樂會軍等基於全球電離層熱層耦合模型，進行了觀測和數值模擬研究；針對共軛半球電離層擾動的主要物理過程及其驅動因素，展開了模擬分析。研究表明，除了日食區的電子密度下降外，在南半球共軛區附近還存在顯著的電子密度增加現象（圖1）。為進一步理解其物理過程，研究人員進一步分析了電離層各關節參量的變化特徵。模擬結果顯示，日食共軛點附近出現了顯著的電離層擾動，包括電子密度增加、電子溫度下降及沿磁力線速度變化等（圖2），衛星觀測數據也顯示出相同的變化特徵。分析表明，這主要是由於等離子體溫度下降引起電離層快速收縮，導致頂部電子密度增加而形成的。
日食期間引起電離層電子溫度快速變化的驅動過程主要有兩種——光電子沿磁力線的跨半球輸運和沿磁力線的熱傳導過程。日食期間，日食區的太陽輻射大幅下降，光電子產生率顯著降低，從而導致本該輸運到共軛半球的光電子數量大幅減少，引起共軛區的光電加熱率下降；日食區本身的電子溫度由於光電加熱的消失而大幅下降，這種降溫過程可能通過熱傳導過程傳遞到共軛半球，使磁共軛點溫度下降。那麼哪種過程起主導作用？研究人員通過兩個控制模擬實驗，研究了耦合半球電離層擾動的主要原因，即分別切斷了跨半球的光電子傳輸和熱傳導過程。模擬結果表明，共軛半球的電離層擾動是由跨層光電子輸運、熱傳導和熱層風變化的綜合作用引起。
對於磁緯20度附近的共軛電離層擾動，關閉光電子跨半球輸運後，共軛區的電離層擾動變化不大；進一步關閉跨半球熱傳導後，共軛半球的電離層擾動幅度顯著下降（如圖3所示），這些表明沿磁力線的熱傳導過程應該是主導因素。進一步的研究表明，不同區域熱傳導和光電子加熱的效應不同，這主要依賴於磁力線的長度。低緯地區主要來源於熱傳導效應；隨著緯度增加，磁力線變長，光電子加熱的變化發揮主導作用，成為共軛半球電離層擾動的主要驅動因素。該研究為理解共軛半球電離層對太陽輻射變化響應特徵及其主要物理機制提供了理論依據。
相關研究成果發表在Journal of Geophysical Research-Space Physics上。研究工作得到科技部重點研發計劃項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金項目、中科院青年創新促進會等的支持。
圖1.2020年6月21日，日食期間400 km高度處的全球電離層電子密度擾動分布，白色等值線標出了日食陰影區範圍，最中心代表日全食
圖2.日食期間在日食區（左邊，北緯20度）和共軛區（右邊，南緯20度）的電離層電子密度、電子溫度以及沿磁力線擴散速度的變化特徵
圖3.在不同條件下的電離層電子密度（上圖）和電子溫度（下圖）擾動變化。左邊是正常情況下的模擬結果，中間是關閉跨半球光電子輸運，右邊是關閉跨半球光電子輸運和跨半球熱傳導
來源：中國科學院地質與地球物理研究所