科研人员基于子午工程中国双子极光雷达网（CN-DARN）在短波中断研究中取得进展

高频（HF）无线电波一般指3—30 MHz频段电磁波，可经电离层折射在地面与电离层之间多次跳跃传播，广泛用于民用无线电、海上通信和军事通信等领域。短波中断事件（Shortwave Fadeout, SWF）是由太阳耀斑、极盖吸收、电离层负暴等引起的短波通信故障：电离层吸收增强或最高可用频率降低，会使高频信号迅速减弱，严重时完全中断。现有研究多局限于仅受耀斑影响的中断事件，对复杂空间天气背景下的短波中断仍缺少观测分析。

子午工程中国双子极光雷达网（CN-DARN）工作于短波波段，是研究短波中断现象的重要设施。中国科学院国家空间科学中心王赤院士团队张佼佼研究员利用CN-DARN六部中纬高频雷达在2024年5月超级太阳风暴期间的观测数据，研究了电离层负暴对耀斑所致短波中断的影响。研究发现，电离层负暴会显著延长短波中断时长：仅由耀斑引发的中断约持续24分钟，而受耀斑和负暴双重影响的中断平均约73分钟，远长于前者。结合负暴机制分析，其原因可能在于负暴期间O/N₂比值下降导致F层电子密度降低，进而改变高频信号折射率和传播路径，降低短波通信最高可用频率。

短波中断前，高频雷达常观测到视向多普勒速度正向短暂跳变，即Doppler flash，但其究竟由D层还是F层密度迅速变化引起尚无定论。研究团队在此次复杂太阳风暴中发现，并非所有短波中断前都会出现Doppler flash：纯耀斑事件中观测到约1分钟的正向上升，峰值约137米/秒，刷新已有记录；耀斑与负暴叠加事件中则未出现。进一步分析表明，出现Doppler flash时EUV峰值早于X射线起始，未出现时EUV峰值晚于X射线起始，提示EUV增强更可能是主因；结合D层电离主要依赖X射线、F层主要依赖EUV，F层折射率变化与传播路径改变可能是Doppler flash的主要原因。

研究还讨论了耀斑辐射强度、雷达频率和太阳天顶角对短波中断时长的影响：辐射越强、雷达频率越低或太阳天顶角越小，观测到的短波中断时长一般越长；反之则越短。该研究对建立复杂空间天气条件下的短波中断事件预报系统具有重要理论价值。

论文链接

Tong, J., Zhang, J., Li, H., Wang, W., Zhao, B., Chen, W., et al. (2026). Observation of shortwave fadeout events using Chinese Dual Auroral Radar Network (CN‐DARN) during the severe solar storm in May 2024. Space Weather, 24, e2026SW005096. https://doi.org/10.1029/2026SW005096

资助信息

研究得到国家重点研发计划 ,国家自然科学基金项目以及子午工程资助。

图1  2024年5月11日01:00-08:00 UT期间X射线辐射(软X射线辐射同理, 蓝色曲线为0.05-0.4nm波段, 橙色曲线为0.1-0.8nm波段)、EUV辐射(30.4nm He II nm射线光谱辐照度)、以及六部中纬高频雷达信号的平均功率(信噪比)以及回波数随时间的变化。红色竖线表明耀斑X射线辐射开始增强, 黑色竖线表明中断开始, 蓝色竖线表明中断结束, 绿色竖线表明中断恢复正常水平。

图2  2024年5月10日06:30-07:30 UT短波中断事件期间六部中纬高频雷达于(a) 06:40 UT (b) 06:42 UT (c) 06:50 UT (d) 07:20 UT 的视向Doppler速度观测结果扇形图。