关于地球变化磁场介绍

[拼音]：diqiu bianhua cichang

[外文]：geomagnetic variation field

主要由固体地球外部原因引起的、叠加在地球基本磁场之上的各种短期的地磁变化。按照成因的不同，变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类。前者的基本成因是电离层在地磁场中运动产生较为稳定的电流体系。后者的基本成因是太阳风同地磁场相互作用，在磁层和电离层中形成各种短暂的电流体系。地球外部的各种电流体系，都能在固体地球内部感应出相应的内部电流体系。每一种地磁变化，都是外部电流体系和内部电流体系产生的磁场之和。一般前者约占总和的70％，后者约占30％。

地磁场的平静变化

经常出现的叠加在基本磁场之上的各种周期性的地磁变化，分为太阳静日变化Sq和太阴日变化L。

以一个太阳日为周期的地磁变化，简称为静日变化。这种变化明显地依赖于地方太阳时，白天变化大而夜间变化小。这种变化是由不同周期的谐波成分构成的。利用全年的地磁日变资料，应用傅里叶分析，可知最主要的谐波成分是以24小时为周期的全日波和以12小时为周期的半日波，并且全日波比半日波稍强一些。在一天之内，静日变化的最大值同最小值之差称为日变幅。日变幅是逐日而异的，其变化的规律性主要表现为季节变化和约以11年为周期的太阳黑子周变化。季节变化的特点是，夏季的日变幅较大，冬季的日变幅较小。太阳黑子周变化的特点是，太阳活动极大年的日变幅大，而太阳活动极小年的日变幅小。

地面各处的日变形态和日变幅，还随着磁纬度呈现出规律性的分布。春秋分时期，各个地磁要素日变化纬度分布(图1)的显著特点是：北向强度δX约在磁纬度Φ=±30°附近发生形态转换，并且日变幅最小；而在Φ=0°的磁赤道上日变幅最大，约为150纳特。东向强度δY和垂直强度δZ都在Φ=0°处发生形态转换，日变幅接近于零；而在Φ=±30°附近日变幅最大，分别约为 40纳特和30纳特。

春秋分时期，太阳静日变化的外部等效电流体系的分布如图2所示。这种电流体系分布在离地面高度约为100公里的电离层E层中，它是电离层在地磁场中运动产生的。电离层在日月引力（主要是月球引力）和太阳热力的作用下发生潮汐运动和对流运动。具有良好导电性能的电离层在地磁场中运动就必然产生感生电流。这种机制类似于发电机，因此称其为高层大气的发电机效应。这种外部电流体系的分布特征是：电流呈涡旋形，主要分布在向日半球上。在春秋分期间，南北半球对称；夏至时期，北半球的电流增强，分布范围扩大，涡旋中心向低纬度移动，而南半球的电流减弱，分布范围缩小，涡旋中心向高纬度移动；冬至时期，情况相反。因此，夏季和冬季的静日变化纬度分布就发生了同电流体系相应的变化。

除了正常的静日变化的纬度分布规律以外，磁赤道南北两侧各约15°的狭长条带地区内，水平强度和垂直强度的日变幅度都显著地增强，这种现象称为静日变化的赤道异常。在磁赤道上空的电离层中，在磁赤道南北两侧各约 150公里的狭长条带内，因为沿磁赤道方向的电导率很高，所以产生了一个向东流动的强电流，称为赤道电急流。它产生的磁场形成静日变化的赤道异常。

以半个太阴日为主要周期的、依赖于地方太阴时的变化。太阴日长为24小时50分28秒。太阴日变化的一个突出特点是变化形态和朔、上弦、望、下弦这种月相变化相关，而一个朔望月的平均形态却具有很规则的正弦形。太阴日变化很弱，最大振幅是：磁偏角约为40″，水平强度和垂直强度约为1～2纳特。太阴日变化亦具有季节变化和依赖磁纬度而呈现规律性分布等特征。

地磁场的干扰变化

在变化磁场中，还有一些偶然发生的、叠加在基本磁场和平静变化之上的各种短暂的地磁变化，称为地磁场的干扰变化，简称为磁扰。磁扰具有各种类型，主要的磁扰有太阳粒子流扰动场 (DCF)、环电流扰动场(DR)、地磁亚暴(DPI)、太阳扰日变化(SD)和地磁脉动 (P)。粒子流扰动场和环电流扰动场常常是相继伴随发生的，形成一种具有特殊规则形态的地磁扰动，并且二者在成因上都同太阳喷射出来的带电粒子流有关，因此常把二者合并称为磁暴时变化(Dst)。地磁亚暴和太阳扰日变化主要是极区的地磁现象，在极光带附近最强烈，二者的电流体系是同时形成的，因此二者又合称为极光区磁扰。各种类型的磁扰常重叠在一起出现，尤其在磁暴发生时，各种磁扰往往叠加在磁暴时变化之上，形成了复杂而强烈的地磁扰动。

全球同时发生的，磁情指数K（见地磁指数）达到 5以上的强烈磁扰。全球同时发生的由粒子流扰动场和环电流扰动场构成的磁暴时变化是磁暴的基本成分，决定了磁暴的全球性、同时性和基本形态。

磁暴的一个突出特点是在全球范围内几乎同时发生，并且以水平强度的扰动为最强烈，形态也最规则。扰动开始时，水平强度在几分钟或十几分钟内突然地急促上升，上升的幅度一般为几纳特至几十纳特，这种磁暴称为急始磁暴(SC)。扰动的起始也可以表现为水平强度缓慢地上升，这种磁暴称为缓始磁暴(GC)。这两类磁暴的形态见图3。

在急始磁暴或缓始磁暴以后的几个小时以内，水平强度是增加的。这个阶段称为初相。它是粒子流扰动场的表现。初相以后，水平强度先迅速下降，一般约经过十几个小时左右就下降到最小值，后又缓慢上升，约经过1～3天才可恢复到正常状态。下降的幅度约为几十纳特至几百纳特。这个下降阶段和恢复阶段分别称为主相和恢复相。在主相和恢复相期间，水平强度小于正常值，这是环电流产生的地磁效应。具有初相、主相和恢复相这种特殊的规则形态，是磁暴时变化的形态特征。磁暴时变化的形态在全球是一致的。变化的幅度在磁赤道上最大，纬度增高，幅度逐渐减小。这种变化主要是中、低纬度地区的地磁现象（图4）。

磁暴发生的次数在时间上的分布是不均匀的。太阳活动极大年磁暴多，可达20～40个，太阳活动极小年磁暴少，约为5～20个；春秋季磁暴多，冬夏季磁暴少。一部分磁暴还可按照太阳自转的会合周期每隔27天重复出现一次，不过，大多数情况只重现1～2次，个别情况可重现10次。磁暴在时间上的分布特点说明，磁暴和太阳活动有密切关系，磁暴起源于太阳粒子流，这正是所有磁暴理论的基本出发点。

主要是持续时间约为1～3小时的地磁场变化。在高纬地区，尤其在极光带附近，扰动往往复杂而强烈，扰动幅度可达几百纳特，甚至2000纳特以上。在中低纬地区，扰动幅度一般为几十纳特，而形态近似海湾形，故地磁亚暴又有地磁湾扰之称。湾扰在水平强度上最显著。依水平强度的增强和减弱，湾扰又区分为正湾扰和负湾扰。在极光带附近出现负湾扰较多，而在中低纬度地区出现正湾扰较多。形成湾扰的理想的等效电流体系分布在电离层中，电流主要集中在极光带附近，称为极光带电急流。夜间的西向电急流比白天的东向电急流强得多，并且分布范围广（图5）。

以一个太阳日为周期的依赖于地方磁时的变化，常称为扰日变化。在高纬度地区，尤其在极光带附近，变化幅度较大；在中低纬度地区，变化幅度较小。变化形态接近于正弦形。变化幅度和当日的磁扰水平有关系，磁扰越强，幅度就越大。形成扰日变化的理想的等效电流体系分布在电离层中，并且电流也主要集中在极光带附近。电流的分布比较对称，不过夜间的西向电急流比白天的东向电急流强一些(图6)。

地磁场的短周期变化，具有不同的周期和振幅。周期范围一般为 0.2秒至1000秒。振幅范围一般为十分之一纳特至几十纳特。按照形态的不同，地磁脉动分为两大类型：一类称为连续脉动(Pc)，另一类称为不规则脉动(Pi)。前者近似于正弦振荡，振幅比较稳定，而后者的振幅或逐步衰减或常有起伏。按照周期的长短，这两类地磁脉动又各分为6类和3类（见表）。Pc型脉动的振幅和周期具有一定关系。周期越长，振幅一般越大，并且在各个周期段内振幅还具有极大值和极小值。其中，Pc1振幅小于0.1纳特，而Pc6振幅可达500纳特以上。在Pi型脉动中，Pi1振幅一般小于0.5纳特；Pi2振幅平均约为1纳特；Pi3振幅一般为10纳特左右，在个别情况下也可达到100纳特以上。这种分类不是任意的，不仅各种脉动有着不同的时空分布特征，而且Pi型脉动和磁扰还具有密切关系。