极区是地球通向外层空间的天然窗口，地球极区磁力线与磁层电性相通并近乎垂直汇聚，这样的几何位形有利于太阳风-磁层耦合及地球磁层顶动力学过程在极区电离层投影并聚焦，极区电离层成为呈现日地空间环境变化的显示器。例如，太阳活动事件经由行星际空间传播至地球磁层，日地相互作用直接或间接地在极区以绚丽多彩的极光、电离层及地磁场扰动等形式呈现。此外，极区开放的磁场环境导致太阳风等离子体获得了一条到达高层大气的直接通道，使得极区极易感知日地能量耦合和空间天气效应，极区考察站成为理解空间物理过程及空间环境影响的重要观监测平台。

     极区空间环境除受到太阳光照、季节效应等常规因素影响外，典型的太阳风暴（如日冕物质抛射、太阳耀斑、行星际激波等）对极区空间环境异常产生重要影响，甚至触发灾害性空间天气事件。如行星际激波与磁层相互作用使极区电离层出现电子密度增强、大尺度等离子体舌状电离、等离子体云块，这些异常等离子体结构又深刻地影响跨极通信，足以导致超视距无线电通讯和短波通讯中断，严重影响极轨卫星正常工作及星地通信链路。灾害性空间天气事件甚至可导致航天器关键器件损坏，对航天员生命安全造成威胁。近期，特别是2022年2月的一次地磁暴事件使SpaceX星链公司49颗卫星中的38颗受到威胁，继而导致卫星损毁陨落，给航空航天商业活动造成巨大的经济损失。由此可见，开展太阳风暴影响的极区空间环境响应特征研究具有非常重要的现实意义。

     针对太阳风暴影响的极区空间环境特征，极地大气与空间物理学研究团队利用南极中山站和北极黄河站观测的极光、宇宙噪声吸收、地磁场及电离层观测数据，同时联合卫星太阳风等离子体、大尺度紫外波段极光等开放数据，详细分析了行星际激波撞击地球空间引起的空间物理响应特征。图1给出了中山站相对极光卵的位置示意图。

图1 磁纬度/磁地方时坐标系下中山站一天24小时相对于极光卵的位置变化示意图。斜线阴影区大致表示极光活动的区域，黑点表示中山站的位置，红圈表示中山站极光成像仪的观测视野范围。12表示磁地方时中午、18是黄昏。

     针对行星际激波撞击地球空间触发的极区电离层效应，研究人员首先分析了一个太阳风暴侵扰地球空间的事例，当时中山站正好位于磁中午12时附近。利用中山站数字式电离层测高仪、高频相干散射雷达、磁力计、美国麦克默多高频相干散射雷达的地基协同观测数据，研究人员发现激波撞击地球空间的一瞬间，中山站测高仪观测到低电离层电子浓度增加、电离层短时地向移动、地磁场负弯扰。扫描覆盖中山站上空的麦克默多相干散射雷达探测到电离层等离子体对流瞬时由逆阳流入极盖区反转为向阳流（南转北），而中山站相干散射雷达则探测到方位角方向的对流由西向流入极隙区转为东向流（西转东，图2所示）。我们知道南极中山站与北极黄河站近似位于一根磁力线的两端，即两站形成近似磁共轭的观测对。通过对黄河站的宇宙噪声吸收数据进行分析，发现激波撞击地球空间之后触发了明显的高能粒子沉降。多台空间物理设备的联合观测表明日地相互作用的晨昏对流电场扮演了关键角色，正是增强的对流电场和高能粒子沉降驱动了上述极隙区观测到的空间环境现象，为应对太阳风暴产生的灾害性空间天气事件提供了第一手的监测预警信号。

图2 中山站电离层测高仪、高频相干散射雷达以及麦克默多雷达观测的电离层回波状况。竖直间断线表示激波达到地球空间的时刻。

     如上所述，太阳风暴引起日侧极区电离层显著的扰动，然而关于太阳风暴如何影响极光亚暴目前还未开展详细的研究工作。基于中山站在夜侧扇区位于极光卵的极向边缘和极盖区的地理特点（如图1所示），研究人员针对行进中的极光亚暴进行深入分析，专门研究太阳风暴相关的日地耦合与行进中的极光亚暴间的相互关系。通过分析中山站全天空极光图像、飞越南极上空的IMAGE卫星大尺度极光，结合全球地磁场的联合观测，发现中山站观测到极光西行浪涌和极向膨胀（图3所示），但行星际激波撞击地球空间并没有显著改变极光亚暴的发展趋势。继续分析俄罗斯东方站观测的磁场变化以及全域电离层对流演化，研究人员认为激波与地球空间相互作用主要使磁层等离子体对流和场向电流得到增强，全域极光观测显示激波撞击地球并不改变极光亚暴的发展趋势。文章发表不久，我们收到NASA喷气动力实验室Bruce Tsurutani先生的邮件，邮件描述“Dear Drs.  Liu and Chen, I have seen your recent article in Science China. It is very nice. Congratulations.  By the way a discontinuity with a Mach number less than 1.0 is a steepened magnetosonic wave instead of a shock, but the compressional effects are the same.  I notice that you did not say how you got this Mach number but it is an easy calculation to make. I have attached a paper that I wrote with Bob Lin at UC Berkeley many years ago that gives instructions.”。针对此类特殊事例，研究人员持续开展相关工作，有望在该领域获得更加深入的认知。

图3 左边是分布于不同纬度的磁力计观测的磁场水平分量变化和极盖活动指数（PCS由东方站磁力计反演获得），右边是中山站全天空极光成像仪观测的全波段极光序列图（向下的箭头指示激波达到地球空间的时刻）

    研究成果发表于Science China Technological Sciences和Journal of Geophysical Research: Space Physics。论文第一作者为彩宝彩票极区空间物理与天文研究所刘建军副研究员。此外，来自北京大学、同济大学、南京航空航天大学、杭州电子科技大学、美国弗吉尼亚理工大学、约翰霍普金斯大学和蒙古国科学院天文与地球物理研究所的合作者参与了系列研究工作。研究工作受国家自然科学基金（41831072、42130210、42120104003、41974185）、国家重点研发计划（2021YFE0106400）、子午工程、自然资源部杰出青年科技人才、上海市社会发展科技攻关项目等资助。

论文链接：

Liu, J., X. Chen, Z. Wang, Z. Hu, X. Zhao, H. Hu, D. Han, and T. Y. L. A (2023), Effect of interplanetary shock on an ongoing substorm: Simultaneous satellite-ground auroral observations, Sci. China Technol Sci. 1-9, https://doi.org/10.1007/s11431-022-2244-0

Liu, J., Chakraborty, S., Chen, X., Wang, Z., He, F., Hu, Z., et al. (2023). Transient response of polar-cusp ionosphere to an interplanetary shock. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 128, e2022JA030565. https://doi.org/10.1029/2022JA030565