综述：太阳风-电离层-对流层通过全球电路极地分支的耦合

《SURVEYS IN GEOPHYSICS》：Solar Wind–Ionosphere–Troposphere Coupling Via the Polar Branch of the Global Electric Circuit

本综述深入探讨了全球大气电路（GEC）极地分支在连接太阳活动与地球天气中的关键作用。文章基于南极大气电场（PG）观测数据，揭示了太阳风（SW）和行星际磁场（IMF）如何通过调制高纬度电离层电位（Uext）影响地面电势梯度（PG），并进一步探讨了其对对流层气压的可能影响（即曼苏罗夫效应）。研究强调了南极高原（如Vostok站）作为理想观测点的优势，并分析了磁暴期间PG与IMF By分量的相关性、大气电导率的时空变化以及PG中存在的周期性波动，为理解日地能量耦合提供了重要实验证据。

　　

引言

近地电磁环境由全球大气电路（GEC）构成，其包括雷暴发电机和晴空区域的向下垂直返回电流。热带雷暴和带电对流云在低电离层和地球表面之间维持着约250 kV的近似恒定电位差。由于全球闪电活动分布不均，气象大气电场会在100 V/m范围内发生日变化，即卡内基曲线。在地球表面，电场（E_z，又称电势梯度PG）主要垂直向下，在晴空条件下约为100 V/m。大气空气的电阻约为250 Ohm，向下流动的电流密度约为2 × 10^?12 A/m²。GEC作为一个综合概念，其极地分支连接了对流层、电离层、磁层和太阳，是理解空间天气与低层大气物理联系的关键。

高纬度观测站点

南极高原是观测大气电学变化的理想地点，因其无人为污染、风力微弱稳定且低空云量稀少。Vostok站（地理坐标79°S, 107°E；磁纬84°）位于东南极冰盖中心，1998–2006年期间在此进行了连续的大气电场PG测量。一个旋转偶极传感器（电场磨）安装在桅杆上，以10秒采样间隔获取PG值。该金属装置会引入电场结构畸变，因此实际测量值需通过校准确定增益系数。此后测量在2013–2021年间持续进行（存在部分数据缺口）。其他南极站点（如Dome C、Maitri、Halley、Syowa等）也进行了PG观测，部分数据已存档于全球大气电学测量协调数据库（GloCAEM）。在北极，最靠北的PG观测点是波兰的Hornsund站（77°N, 16°E；磁纬74°）。由于北冰洋环境限制，南极仍是研究GEC极地分支的主要地点。

晴空条件

地面附近的电场会受到局部天气的干扰。雾、降水、风、暴风雪等与带电微小粒子运动相关的天气现象通常会导致PG值大幅增加。为研究PG对“外部”空间天气信号的响应，必须识别并排除此类时段。通用的晴空条件标准包括无降水物、气溶胶和霾，云量极少，地面风速< 8 m/s。在近海岸地区，风频繁且较强。例如，Syowa站提取的晴空数据（风速< 6 m/s）占总数据不足10%。而在南极高原内陆站（如Vostok），天气扰动小得多。Burns等人提出了基于PG值 alone 选择“晴空”的方法：实验发现，随风速增加，PG会因伴随的雪冰粒子扬起而快速上升，设定350 V/m为阈值来剔除特定时段数据。超过30%的日期满足此条件，比例随季节和世界时（UT）变化。在1998–2002年的5年间，Vostok站收集了720个晴空日。更严格的气象标准（风速< 5 m/s且环境温度稳定）用于多站同步PG分析，虽限制了可用天数，但提高了检测电离层与大气电场变化关系的可靠性。Slyunyaev等人提出了双重程序化方法：先剔除含数据缺口、负/零小时PG值及超过300 V/m的日期；再筛选日峰峰值幅度不超过日均值150%的日期作为晴空日，本文采用此方法。

极地PG的日变化（卡内基曲线）

PG值与地球雷暴覆盖面积的同步变化于1920年代被发现，并以卡内基研究所的调查船命名。垂直电流和PG存在日变化，幅度约±15%，最大值出现在~20 UT，最小值在03 UT，伴有较小的系统性季节变化。早期极地站数据分析显示，晴空条件下获得的PG日变化与全球卡内基曲线吻合。Burns等人在Davis海岸站收集数据并指出卡内基曲线存在一定不确定性。随后对Vostok站数据的线性回归分析（PG = PG₀ + a · U_ext，其中PG₀为雷暴发电机产生的电场电位，U_ext为磁层施加于高纬度电离层的电位）得到了南极内陆的首个UT变化曲线。

图3展示了Vostok站在当地夏季月份测量的PG日变化与Harrison计算的全球卡内基曲线。所有PG曲线均在约18 UT达到峰值。轻微偏移可能源于雷暴发生器的年际变化（如厄尔尼诺、马登-朱利安振荡或沃克环流）及月际季节变化，此外还有局部变化和粒子沉降的影响。PG日变化幅度在当地冬季减弱，表明GEC通过夏季极区闭合更高效，暗示全球电路存在不对称性。该效应可能与低电离层电导率变化有关，受带电粒子沉降影响。Dome C站与Vostok站（相距560公里）测量值的比较及与经典卡内基曲线的对比进一步证实了这一点。Jeeva等人也在严格晴空条件下于Maitri海岸站确认了卡内基曲线的存在。近期基于Vostok数据和模拟的分析证实，GEC日平均强度在北半球夏季最高，南半球夏季最低，这与不同纬度日照年循环及海陆半球分布有关。

影响GEC极地分支的因素

从极区实际观测的PG中提取卡内基曲线（即电离层电位的纯对流层分量）时，需扣除磁层来源的电势贡献。残余信号与上空电离层电位（可通过经验模型获得）、地磁变化和空间天气事件相关，表明极区全球电路存在地外调制。Vostok站的研究结果尤其令人信服。

高纬度电离层电位与对流模式

磁层-电离层相互作用的一个固有特征是，场向电流在极区产生晨昏向电位降，宁静时约20 kV，强磁暴时可达~200 kV。在高纬度，地表与电离层间的电位差是“内部”对流层（U_int）和“外部”磁层/电离层（U_ext）分量叠加的结果。IMF是一个三分量矢量，其中垂直（B_z）分量在南向（B_z^?）时最具地球效应，此时磁层顶发生磁场重联，磁层“开放”，太阳风能量有效注入。IMF B_y（东正西负，B_y⁺）的地球效应虽弱于B_z，但在SW-磁层相互作用中起重要作用。两者与太阳风速度一起构成SW-磁层耦合函数表达式。IMF B_y在磁层瓣之间产生电位差，并投影到电离层，导致极盖区出现径向电场。在非零IMF B_y下，侧翼重联发挥作用，引起全球东西不对称。磁层电场易映射到高纬度电离层，控制等离子体对流轨迹。因此，U_ext分布主要受IMF B_z和B_y控制。电离层对流焦点电位可快速变化，幅度高达±100 kV，取决于IMF/SW的方向和强度。电离层中产生强度达100 mV/m的水平电场。对IMF响应的U_ext已通过合成大尺度对流图并参数化为模型（如Weimer模型、SuperDARN模型）得以阐明。

图4展示了SuperDARN模型计算的不同IMF B_z和B_y组合下的对流模式。当IMF转向南向，晨昏侧涡旋变得强且近乎对称于子夜-正午子午线。若IMF纯北向（B_z⁺），日侧形成两个额外的、方向相反的涡旋。根据IMF B_y符号，晨或昏侧涡旋扩张。值得注意的是，B_y^?时涡旋更对称，而B_y⁺时昏侧（负）涡旋占主导并倾向于占据近极区。图4e描绘了Vostok站上空对应图4a-d对流模式的U_ext日变化。最显著的效果是，相反的IMF B_y极性表现为除黄昏外多数地方时U_ext的符号相反。IMF B_y与PG的关系，以及通过此寻找太阳风对气象参数的影响，是日地关系研究中最引人入胜的问题之一。迄今结果仍存争议。

电离层壳层电流与流入大气的电流（逐渐变为垂直地表）大小关系由电离层电导率与大气空气电导率之比决定。大空间尺度上，此比值可能很小。使用早期模型估算PG扰动与水平尺度>200 km的U_ext关系为：PG (V/m) ≈ -0.1 (m^?1) · U (kV)。数值模型预测，假设电离层壳高度80 km，PG ≈ -0.16 · U。因此，若U ~100 kV，可预期PG为100–150 V/m。由于太阳风高度可变，电离层等离子体对流通常远离准稳态。此外，当IMF改变方向时，对流模式重构需要时间（数分钟至数十分钟）。随着台站在旋转地球下移动，穿越演化的U_ext等值线，实际瞬时测量的PG值同时响应电离层上空广域的空间和时间变化。因此，识别PG中的空间天气效应是一项挑战性任务。

台站上空的电离层电位

简言之，若极地站位于正（负）对流涡旋下，则应观测到PG增加（减少），因为U_ext与U_int相加（或相减）。因此，在高纬度，电离层壳不能视为等电位。地面PG与观测点处电离层和地表间的电位差成正比。参数化IMF的对流模型被用于直接比较Vostok的PG测量值与站上空预测的U_ext。早期研究利用Weimer和IZMEM模型计算极区电位差，并考察了该参数与各UT小时PG的相关性，多数UT时段获得了显著相关性，尤其是与Weimer模型预测值。Victor等人研究了磁暴对三个南极站（Maitri、Dome C、Vostok）PG变化的影响，暴时期间也成功观测到电离层水平电场向地面PG的向下映射。然而，在极光纬度磁扰期间，地面电场响应的相位和幅度可能取决于磁地方时和站点相对于极光电解流的位置。

基于1998–2000年（太阳活动高年，U_ext更活跃）Vostok观测数据，分析了模型电离层电位与地面电场的关系。总计170个晴空日，约3000个PG小时值。图5显示了观测PG与Weimer对流模型预测的U_ext之间的统计关系。该关系呈线性，相关系数R为0.32（图5a），但回归线略向低U_ext值偏移约5 kV。R的日变化（图5b）显示，较高相关性出现在10–17 UT，附加窄峰在3–4 UT，局部正午（Vostok为13 UT）附近有小下降。21–02 UT相关性差（R < 0.2）。还评估了相关性随IMF矢量取向的变化。图5c-d展示了R与IMF B_y、B_z的二维核密度估计。可见当B_y > 0时，对流模型更好地再现PG（R更大）；而对垂直北向IMF分量，若B_z南向，模型效果更佳。此方法不仅为评估PG与U_ext关系时考虑不对称因子提供了依据，也为评估对流模型精度提供了独立标准。

极区大气电导率

放射性物质的存在会导致电离作用和轻离子浓度增加，从而提高大气空气的电导率。相反，气溶胶颗粒和水汽通过降低离子迁移率减少电导率。电导率变化调制近地面及上空的电荷密度和PG强度。由于离子迁移率随高度指数增加，空气电导率从地面的~10^?14 S/m增至80 km高度的~10^?7 S/m。约95%的大气空气柱电阻发生在10 km以下，其中近地面1.5 km内贡献最大。低层大气电离的主要来源是银河和太阳起源的宇宙线。太阳耀斑（磁暴主要驱动者）对高纬度大气电导率有兩個相反方向的效应。

银河宇宙线（GCR）主要是10–100 GeV的高能质子。GCR在50 km以下高度提供大气电离，最大在15–20 km。其背景通量各向同性，强度日变化通常不超过几个百分点，跨太阳周期变化约15%。大气电导率在太阳活动极大年（GCR通量较弱）低5–6%。还有与日冕物质抛射（CME）相关的GCR短期下降，即福布什下降（FD）。地磁场有效过滤GCR的能量谱，截止刚度随磁纬变化。GCR产生的电离率在磁纬高处最大，对空气电导率影响显著。

太阳耀斑（常伴随CME）会发射大量极高能质子（高达数十MeV）及部分重离子。到达地球轨道的太阳高能质子（SEP）也受地磁场屏蔽，但可穿透极区大气。SEP各向异性，通量比背景GCR高几个量级。能量>100 MeV的质子可穿透至平流层高度，产生局部电导率增强。Kokorowski等人估算了2005年1月20日SEP事件期间20–150 km的电导率，发现近60 km处增加超过600倍。CME相关的磁云阻碍GCR通量。最高能SEP（高达400 MeV）在大气中产生次级粒子、中子和μ子级联，此时地面中子监测器探测到地面增强（GLE）事件。GLE被视为相对罕见的极端空间天气事件。更常见的是亚暴期间来自磁层的低能（keV）粒子沉降，但这些粒子通常在极光椭圆区的电离层F层和E层引起电离。地球外辐射带相对论电子在磁暴期间能量可达数MeV，这些粒子因波粒相互作用从磁层沉降，可增加较低高度的空气电导率，但该粒子群位于磁纬70°以下。

强CME驱动磁暴期间，太阳质子事件（SPE）和GLE（或FD）对空气电导率的效应相互竞争。可能出现耀斑后高纬度电导率初始增加，随后因FD而下降的情况。通常，太阳耀斑（或系列耀斑）发生时，X射线增强、SEP（与FD同时）和CME相关磁云到达地球轨道的时间存在差异。因此，复杂影响可持续数天，这常使特定GEC变化归因于具体过程变得困难，尤其是在极端高能事件期间。

空气电导率源于其所含小离子的浓度。紧贴地表，总电导率量级为10^?15–10^?14 S/m。普遍认为，近地表电离主要由地面发射的天然放射性主导。海洋表面由氡引起的电离水平极低。南极的氡浓度比其他大陆低2–3个量级，这是由于缺乏区域源且全球大气环流输送时间不足（²²²Rn半衰期3.8天）。在南极高原Dome C，氡浓度< 1 Bq/m³，远低于大陆平均值（~10 Bq/m³），其季节循环受对流层下沉事件主导。如此低浓度下，放射性组分对近地面空气电导率的贡献可能很小。在宁静地磁条件下，局部空气电导率对地气电流的影响可能小于PG。

PG与IMF及地磁变化：2015年3月案例研究

Vostok积累足够大气电场观测数据后，多项研究分析了其与电离层和空间天气参数的联系。揭示Weimer模型计算的Vostok上空电势影响所有UT时段的PG。通过U_ext，PG可能与IMF相关联。当台站磁力线连接SW与地磁场日侧相互作用区时，出现对IMF B_y分量的依赖。具体而言，若B_y > 0（B_y < 0），南极PG减小（增大）。南向B_z驱动的双涡旋对流模式表现为极盖昏侧PG较大（晨侧较小）。随着台站日循环旋转，PG在晨昏经历相反变化，很大程度上相互补偿，导致日平均PG幅度减小。

选取2015年3月时段展示Vostok测量PG与上空U_ext、IMF及局部地磁变化的关系。该时段包括3月17–18日的主要地磁暴（圣帕特里克节事件）。图6a-c显示了Vostok的1分钟测量时间序列：PG、地磁垂直分量变化（dZ）、气压（P）：来自气象站的海平面气压和经气温修正的虚压。PG数据尚未扣除日变化卡内基曲线。图6d-f显示了表征空间天气条件的数据：IMF B_y、B_z和Dst指数。时间序列包含所有测量值，晴空时段用红色标出。可见在扰动气象条件下，PG值变得很大，不适用于分析。

磁暴期间，所有参数倾向于在更大范围内变化。气压在3月10日左右和16–20日间出现两次显著增强，后者之后伴随急剧下降。峰值可归因于行星波影响，而3月下旬的下降指示气旋活动。磁暴主相期最适合评估PG与剧烈IMF波动间的精确对应关系。图7以更大尺度显示了3月17日09–15 UT期间1分钟PG、dZ和IMF B_y的时间序列（图7a），以及PG与其他参数间滞后相关的相关系数演变（图7b）。PG和dZ表现出非常相似的行为，当IMF B_y变正时两者均增加。视觉上，11:40 UT（10:40 MLT）的短期B_y负突降可能与12 UT时PG和dZ的下降相关。定量上，如图7a所示，Vostok PG对IMF B_y突变的响应存在20分钟延迟时获得最佳线性回归（R=0.9）。此时滞可用于精确估算日侧对流重构时间。dZ与PG变化一致（R=0.89），无时滞，表明dZ可作为PG的良好代理。

表1列出了1分钟PG（扣除晴空曲线）与IMF B_y、B_z、地磁dZ及Weimer模型预测的站上空U_ext之间的相关系数。分别显示了所有UT和白天（Vostok当地正午为13 UT）的值。顶部行显示整个月的系数。表1底部显示了3月17–19日磁暴期间的相关系数。可见，整个月所有UT时段，PG与B_y关系相关性最佳（虽不高），而PG与B_z相关性可忽略。PG与dZ间发现较高相关性，尤其在日侧。这可能是因为该参数在极站累积了所有电离层电流和场向电流的磁信号。上空U_ext与PG相似性差得多。Victor等人基于半小时值的研究发现U_ext与PG一致性更好，回归系数达0.9，Vostok PG响应U_ext变化有60分钟时滞。本文采用相同时滞，但数据更高时间分辨率降低了一致性。

IMF B_y对对流层天气的可能影响（曼苏罗夫效应）

Mansurov等人1974年的简短通讯提出了高纬度共轭点处地磁场、位势、地面气压乃至对流层风对IMF B_y方向变化的响应问题。假定根据B_y符号，气压异常在北半球和南半球相反。相应的地磁变化被规律观测到，其解释显而易见，它们再现了叠加双涡旋电离层电流模式和极环电流的磁场，后者的方向受与SW扇形结构相关的IMF极性控制。就气象响应而言，寻找并证明太阳风与地球天气间可能存在的同步变化引发了一系列至今仍相关的研究。该问题或许是GEC概念应用中最引人入胜且最具争议的。先前结果基于统计方法，