地磁扰动的时空变化规律和产生原因：统计和模拟研究

地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents,GICs）是发生在地球表面的一种空间天气现象,对石油管道、电缆等长距离地面基础设施会产生不利影响.研究GICs的产生原因及其与太阳风驱动条件的关系对于预报灾害性空间天气具有重要意义.由于GICs的产生与地磁场扰动紧密相关,本文利用北半球100多个地磁台站的长期监测数据,统计分析了地磁扰动及其时间变化率（磁扰率）与各种太阳风参数/地磁指数之间的相关性,并以2013年3月17日的磁暴事件为例,采用全球空间天气模型框架（space weather modeling framework,SWMF）模拟了磁暴期间地磁场扰动在北半球的分布以及日地空间中各电流体系对地磁扰动的作用.研究结果表明：（1）中低纬度的地磁扰动北向分量B_x与表征环电流强度的SYM-H指数呈现较高的正相关性（相关系数CC=0.75）,高于它与亚暴AE指数以及其他太阳风参数的相关性,说明磁暴期间环电流是导致中低纬度北向磁场减弱的主因,而在平静期间东向的磁层顶电流是中低纬度北向磁场增强的原因;（2）地磁扰动率与太阳风动压、行星际磁场IMF B_z、亚暴AE指数或者磁暴SYM-H指数均没有强相关性;（3）高纬地区的磁扰率通常大于低纬地区,而较强的磁扰率倾向于出现在中等磁暴或者中等-强亚暴期间的中高纬地区;（4）SWMF模型能较好地反演地磁平静时的北向地磁扰动和磁暴时的东向地磁扰动;（5）磁暴期间,磁层电流对中低纬度北向地磁扰动的贡献最大,而电离层霍尔电流对高纬地区的北向地磁扰动有着很强的支配地位;另外,高纬地区的东向地磁扰动主要由霍尔电流控制,而中低纬地区则受制于场向电流.

     

基于Weimer模型的高纬地磁扰动预测

地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础.

     

传导网络中的地磁灾害（二）

地磁对地面电力系统影响的观测已有150年的历史了(见图1；也见．Boteler，2001a)。图1表示的事件只是那些能够与特定地磁扰动有关的事件，而由累积效应造成的某些电力中断或许从来就没有把它们与地磁扰动相联系过。这种累积作用一般与管线的腐蚀有关。现在已证实，地磁感应电流也可能在变压器增压发电机中积累应力(Kappenman，1996)。     

地震前后短期地磁扰动_(△H)~(△Z)的异常变化

一、引言短期地磁扰动是指磁暴急始、湾扰与地磁脉动等扰动时间较短的地磁变化。磁扰的源场来自磁层和电离层的电流体系,因而它们在较大范围内可看作均匀分布。但是,由于它们在地球内部所产生的感应磁场与地下电导率分布密切相关,所以,相距很近的两地往往观测到磁扰不一致。这就是说短期地磁扰动可以反映地下电导率的横向不均匀性,目前国内外均已发现了一些电导率异常区。一些作者还研究了短期地磁     

中国地磁台网观测与研究进展

引言从地心至磁层边界的空间范围内统称为地磁场,它能够灵敏地反映上至太阳,磁层,电离层,下至地球内部乃至地核的电磁信息及其变化的物理过程。因此,对地磁场的观测是进行地球物理和空间物理研究的重要基础。１９５７年苏联成功发射第一颗人造地球卫星是人类进入空间时代的里程碑。在太阳活动的直接影响下,经常引起磁扰等各种大气扰动,严重影响着高空和地面上的技术系统,同时危及人类的健康与生命,因而,监测、预报“空间天气”已成为科学家和工程师的攻坚目标。地磁观测对航天、航空、导航、通讯、矿产资源调查、供电、输油及地震…     

地磁钩扰的全球响应特征研究与初步统计结果

地磁钩扰是太阳耀斑效应的直观表现之一, 其研究有助于深入理解太阳爆发对地球空间环境的影响过程, 并能为空间天气建模和预报提供科学依据.本文利用山东大学威海地磁台和Intermagnet地磁链与子午工程的地磁观测数据, 联合GOES卫星及数字测高仪等的数据, 研究了一个由M5.6级太阳耀斑引发的地磁钩扰事件的全球响应特征.研究发现:地磁钩扰特征呈现出南北半球与午前/午后的差异, 且地磁响应相对于太阳耀斑存在约3 min的滞后现象, 而夜侧无明显扰动; 利用位于日侧的50余个地磁台站的数据统计分析后发现地磁钩扰幅度呈现正态分布, 且在当地时正午附近达到峰值; 利用地磁数据反演出钩扰发生时电离层的电流体系S_s和宁静日电流S_q, 并用该电流体系解释了此事件中地磁数据的变化特征.另外, 本文初步统计了1996-2015年的地磁钩扰事件数以及相关的太阳耀斑事件数, 分析后发现X级耀斑引发地磁钩扰的可能性最大, 达42%, 由M级耀斑引发的地磁钩扰事件数最多, A、B、C级等小耀斑引发地磁钩扰的可能性很小.

     

地磁静日变化预测方法研究

地磁观测中及时了解地磁场日变化的扰动情况,可以帮助人们及时判断数据的可靠性,识别观测中的异常.研究地磁静日变化的预测方法在地磁观测数据分析处理中具有应用意义. 地磁日变化主要包含了地球外部空间电离层和磁层电流体系的变化信息,有静日变化和扰日变化之分.通常情况下人们利用每月中的5天静日变化的平均作为当月的Sq变化的估计.     

在耀斑-日球电流片坐标系中——研究耀斑-激波相应地磁扰动的分布特征（Ⅱ）

本文采用一种新的坐标系——耀斑-日球电流片坐标系,对1966—1982年间由耀斑-激波所引起的277个耀斑-地磁扰动事件进行了分析.初步结果是:1.耀斑-地磁扰动事件在该坐标系中相对日球电流片的随机分布呈高斯分布,极大值在电流片附近;2.当地球和耀斑位于日球电流片同侧时,地磁扰动事件频次远高于异侧;3.地磁扰动强弱在该坐标系中的分布,亦呈现了同侧高于异侧,且极大值多在日球电流片附近;4.耀斑-激波能流密度ρ2V23及其跃变量ρ2V23-ρ1V13在该坐标系中具有十分类似于相应磁扰水平的分布,其离散程度后者略大于前者. 根据本文的结果可以看出,对耀斑-地磁扰动研究来说,近太阳日球电流片的存在是一个重要的特征面,它对耀斑-地磁扰动的产生和强弱水平有重要影响,使太阳耀斑活动与地磁活动效应之间的对应关系变得复杂化了.     

在耀斑-日球电流片坐标系中——研究耀斑-激波相应地磁扰动的分布特征(Ⅱ)

本文采用一种新的坐标系——耀斑-日球电流片坐标系,对1966—1982年间由耀斑-激波所引起的277个耀斑-地磁扰动事件进行了分析.初步结果是:1.耀斑-地磁扰动事件在该坐标系中相对日球电流片的随机分布呈高斯分布,极大值在电流片附近;2.当地球和耀斑位于日球电流片同侧时,地磁扰动事件频次远高于异侧;3.地磁扰动强弱在该坐标系中的分布,亦呈现了同侧高于异侧,且极大值多在日球电流片附近;4.耀斑-激波能流密度ρ_2V_2~3及其跃变量ρ_2V_2~3-ρ_1V_1~3在该坐标系中具有十分类似于相应磁扰水平的分布,其离散程度后者略大于前者. 根据本文的结果可以看出,对耀斑-地磁扰动研究来说,近太阳日球电流片的存在是一个重要的特征面,它对耀斑-地磁扰动的产生和强弱水平有重要影响,使太阳耀斑活动与地磁活动效应之间的对应关系变得复杂化了.     

贴近度在地磁分类预报中的应用

本文运用模糊数学中贴近度、从属函数和综合评判法,结合日冕物质抛射的太阳观测和其引起的行星际太阳风暴的行星际闪烁观测,提出预测经IPS认证的行星际激波引起的地磁扰动强弱程度的贴近度法.以1997～2003年期间74个IPS认证的CME-激波引起的磁扰事件的分析研究为基础,给出了用来评判磁扰研究的5个聚类指标及它们的加权集,利用综合评判法给出了小、中、大三类事件的典型集.针对每个事件建立模糊集,根据此模糊集与典型集贴近度的大小对磁扰事件进行分类预报.初步研究结果表明,对于所研究的74个磁扰事件而言,小磁扰事件预报准确率为53.3%;中磁扰事件预报准确率为100%,大磁扰事件预报准确率为90.20%,此方法平均准确率达到84%,这是模糊数学的贴近度在地磁扰动研究中的一种有效的应用.     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６—１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６-１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

地磁扰动期間史篤默捕获区的变化

本文利用了史篤默（Stormer）的理論来討論在地磁扰动期間史篤默捕获区的变化。在計算过程中我們只是考虑到单一粒子在捕获区內的运动。地磁扰动我們分別取以下两种形式:（1）当扰动磁場是均勻的而且其方向与磁軸相反;（2）当扰动磁場是由位于赤道面上5至8个地球半径的电流环引起的。計算結果认为在磁扰期間捕获区将要发生变化。这个变化引起了捕获区內粒子数目的变化。最后我們将根据上述的結果討論美国人造卫星（探险者Ⅵ号）所观測到磁暴期間外輻射带的变化。     

地磁扰动期間史篤默捕获区的变化

本文利用了史篤默（Stormer）的理論来討論在地磁扰动期間史篤默捕获区的变化。在計算过程中我們只是考虑到单一粒子在捕获区內的运动。地磁扰动我們分別取以下两种形式:（1）当扰动磁場是均勻的而且其方向与磁軸相反;（2）当扰动磁場是由位于赤道面上5至8个地球半径的电流环引起的。計算結果认为在磁扰期間捕获区将要发生变化。这个变化引起了捕获区內粒子数目的变化。最后我們将根据上述的結果討論美国人造卫星（探险者Ⅵ号）所观測到磁暴期間外輻射带的变化。     

在耀斑-日球电流片坐标系中——研究耀斑-激波相应地磁扰动的分布特征（Ⅱ）

本文采用一种新的坐标系--耀斑-日球电流片坐标系,对1966-1982年间由耀斑-激波所引起的277个耀斑-地磁扰动事件进行了分析.初步结果是:1.耀斑-地磁扰动事件在该坐标系中相对日球电流片的随机分布呈高斯分布,极大值在电流片附近;2.当地球和耀斑位于日球电流片同侧时,地磁扰动事件频次远高于异侧;3.地磁扰动强弱在该坐标系中的分布,亦呈现了同侧高于异侧,且极大值多在日球电流片附近;4.耀斑-激波能流密度ρ₂V₂³及其跃变量ρ₂V₂³-ρ₁V₁³在该坐标系中具有十分类似于相应磁扰水平的分布,其离散程度后者略大于前者. 根据本文的结果可以看出,对耀斑-地磁扰动研究来说,近太阳日球电流片的存在是一个重要的特征面,它对耀斑-地磁扰动的产生和强弱水平有重要影响,使太阳耀斑活动与地磁活动效应之间的对应关系变得复杂化了.     

磁层-电离层电动耦合的中纬电离层效应

本文通过对1982年磁扰期间琼中、北京两站地磁X分量变化的分析,证实了磁层-电离层电动耦合对中纬电离层电流的影响.分析发现:磁静、磁扰条件下的平均日变化中,两站X分量变化在白天有反向的趋势.这表明它们分处于与动力效应对应的电离层发电机电流圈中心之南北两侧.在磁暴主相期间,X分量变化形态与之明显不同,两站地磁南北分量有同向变化,且变幅相近,甚至有时北京站△X更大.对环电流能量增长指数R小于—25nT/h的21次事件所作的时序叠加分析（以R最负时为零时）进一步证明,这种同向变化是普遍存在的.两站零时之△X大小相近,相关系数高达0.98.该同向变化与R指数突然变负密切相关. 以上对比表明,与发电机电流造成两站X分量反向变化不同,同向变化是磁层源高纬扰动电流向中低纬直接穿透的结果.本文对动力和电动耦合两种过程的不同进行了初步讨论.     

磁层-电离层电动耦合的中纬电离层效应

本文通过对1982年磁扰期间琼中、北京两站地磁X分量变化的分析,证实了磁层-电离层电动耦合对中纬电离层电流的影响.分析发现:磁静、磁扰条件下的平均日变化中,两站X分量变化在白天有反向的趋势.这表明它们分处于与动力效应对应的电离层发电机电流圈中心之南北两侧.在磁暴主相期间,X分量变化形态与之明显不同,两站地磁南北分量有同向变化,且变幅相近,甚至有时北京站△X更大.对环电流能量增长指数R小于-25nT/h的21次事件所作的时序叠加分析（以R最负时为零时）进一步证明,这种同向变化是普遍存在的.两站零时之△X大小相近,相关系数高达0.98.该同向变化与R指数突然变负密切相关. 以上对比表明,与发电机电流造成两站X分量反向变化不同,同向变化是磁层源高纬扰动电流向中低纬直接穿透的结果.本文对动力和电动耦合两种过程的不同进行了初步讨论.     

地球等离子体层研究进展

地球等离子体层作为内磁层的重要组成部分,在空间天气过程的发生和发展过程中都起着非常重要的作用.地球等离子体层是由上行电离层粒子被地球磁力线捕获而形成的圆环状冷的等离子体区域.等离子体层的外边界称为等离子体层顶,在该区域的等离子体层密度在0.5个地球半径内下降了1～2个数量级.地球等离子体层结构的动态变化特征是空间环境扰动状态的指示器,其结构形态和动力学过程受地磁场和电场控制,而地磁场短期变化源于太阳活动引起的日地扰动.地磁暴期间等离子体层的大规模结构演化影响等离子体层中波的产生和传播,从而影响波-粒子相互作用,导致内磁层中电子和离子的空间分布发生变化,进而影响其它磁层和电离层过程.对地球等离子体层进行进一步研究,对揭示太阳风-磁层-电离层耦合过程中的质量输运和能量转移、空间天气预报等方面都具有重要的意义.本文对等离子体层和地磁活动的关系、等离子体层中的波、顶部电离层及等离子体层电子含量的变化规律和等离子体层模型等方面的研究进展进行了介绍.最后,我们还对等离子体层研究方面一些亟待解决的问题进行了展望.     

太阳活动低年电离层磁场VLF波的观测特性研究

本文利用搭载在DEMETER卫星上的感应式磁力仪(Instrument Magnetometer Search-Coil, IMSC)探测数据分析了磁场甚低频(Very Low Frequency, VLF)波功率谱的空间分布.在排除地磁扰动影响(Dst≤-30 nT,Kp≥3,AE≥200 nT)的前提下,我们给出2007年不同季节,日侧和夜侧,磁场VLF波功率谱的全球分布的背景场探测和对应的统计误差分布.利用太阳活动低年的背景场探测统计分析了磁场VLF波功率谱的频谱特性和季节变化,以及对来自空间的地磁活动的响应特征.太阳同步高度卫星探测的磁场VLF波功率谱也可以观测到源于地球特定区域里的磁场异常所产生的频谱响应.12.5~17.5 kHz频段的磁场VLF波功率谱全球分布清楚地给出了南大西洋磁场异常区的分布轮廓.夜间百慕大地磁异常影响了磁场VLF波功率谱的多个频段,并显示出类似于高纬极区磁场的地磁活动响应的观测特征.卫星磁场VLF波功率谱探测背景研究表明,源于空间的地磁扰动和源于地球的局部地磁异常都会引起电离层磁场VLF波功率谱的变化.特别是在12.5~17.5 kHz频段,我们发现了沿板块边缘分布的电离层磁场VLF波功率谱增强带,这将为我们探寻由板块运动引起的地球突发事件的电离层响应增加探测依据,为定量甄别此类事件的电离层异常信号积累实用的背景参照.     

南极中山站地磁台的建设与观测研究

南极中山站于1991年3月建立临时地磁台，1992年2月建立正式地磁台，台上建有地磁观测室、记录室和各种探头室．它们均采用高架结构和用无磁性材料建成；能保温、防潮、防积雪和抗强风．1991～1993年分别安装有数字化地磁仪，地磁脉动仪，哨声与VLF仪和地震仪，并不断获得极区地磁与高空物理资料．1991年与1992年中山站地磁观测报告（第一卷与第二卷）已整理成册，资料分析表明，极区地磁扰动与中低纬区地磁扰动特征有很大差异，这些差异主要是由极区各种电流体系所造成．