地磁感应电流（GIC）的作用与评估

地磁感应电流（GIC）可能对各种人工长距离导电体造成影响与危害.地磁扰动产生的感应电场的强度与地磁场强度、地下电阻率结构相关,在导电系统内生成的GIC的强度则同时与导电系统的内在结构有关.计算了加拿大Manitoba省三个典型地区在2000年7月15日的一个强烈磁暴期间产生的感应电场.通过对地磁活动性的统计分析,估计加拿大魁北克电网可能经受的最大GIC达每相78A（一年一次）和234A（每十年一次）.     

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.

     

强烈地磁扰动的危害

本文给出了强烈地磁扰动可能对空间和地面技术系统、人类的生产和生活造成的危害,其中包括地磁扰动的直接危害和由于地磁感应电流造成的危害及伴随的其他空间环境扰动所造成的危害。     

两次磁暴期间广东电网地磁感应电流的分析

地磁感应电流(Geomagnetically Induced Current, GIC)会对低纬和赤道地区高压电网安全运行构成威胁.本文利用广东肇庆地磁台在2006年12月14—15日,2015年3月17日两个磁暴发生期间监测到的地磁场数据,研究和计算了广东500 kV电网两条输电线路上由地磁暴激发的GIC,并利用NASA Space Physics Data Facility网站提供的太阳风和行星际磁场数据分析了该区电离层赤道电急流(Equatorial Electrojet, EEJ).结果显示:广东500 kV电网输电线路易受地磁暴引发的GIC干扰.GIC除和输电线路的长度、线路所处的地貌特征、沿海输电线路遭受到的海岸效应有关外,赤道电急流在GIC的激发方面起着重要的作用.赤道电急流对GIC的影响发生在地磁暴的急始期,也发生于地磁暴的主相期,和行星际磁场B_z在太阳风动压增加时产生的南向偏转有关.     

传导网络中的地磁灾害（一）

地磁扰动可以破坏传导网络的运行，如电力系统、管线和通讯电缆。在电力系统中，地磁感应电流(GIC)通过电力变压器传到地面，干扰变压器的运行，使变压器变热，增加无功功率需求，并产生导致继电器误操作的谐波。在极端情况下，这些效应能导致电力中断，如1989年3月地磁暴期间，魁北克电网中断供电长达9个小时，600万人受到影响。地磁扰动是由太阳喷发高能粒子流向地球空间传动的结果。当这些粒子到达地球时，与地球磁场产生相互作用，所激发的电流向下流动到地球电离层。大部分强电流伴随着极光出现在横跨加拿大的东西带上。它是由电离层电流产生的磁场在地面上所看到的一种磁扰现象。预防地磁对电力系统的影响主要是阻止电力系统中产生地磁感应电流。但是这种措施相当昂贵，许多设施欲在地磁扰动期运行还需依赖地磁活动预报。加拿大地磁预报服务局是由加拿大自然资源部设立的机构，从1974年开始运行，现在可以提供覆盖加拿大3个纬度带的长期和短期地磁预报服务。该项研究工作是全方位的，从用于改进预报的有关太阳爆发的新资料到了解电力系统对磁扰的反应。地磁扰动研究由加拿大地磁预报中心和许多加拿大大学研究小组负责进行，而地磁感应的研究是由一些受其影响的行业组织进行的，也经常与上述预报中心进行合作研究。     

短期重现性地磁日变化感应电流集中分布与地震关系初步研究

通过分析台站之间地磁垂直分量日变化相关性,研究中国大陆南北带地区90°E～110°E,2009～2018年地磁日变化感应电流线状集中分布现象与M_S≥6.0地震关系。统计发现,我国每月平均出现约2次感应电流集中分布现象,且10天左右内有原地重复出现现象——感应电流集中分布重叠异常,原地重现的集中分布感应电流日期间隔一般在10天左右以内,原地重现日期一般不连续,重现次数一般仅有2次。研究发现,我国南北带2009～2018年共出现重叠异常23次,20次重叠异常出现后18个月内重叠段发生M_S≥6.0地震,对应率高达87%,地震基本发生在重叠段端部250km以内,重叠段发生2次M_S≥6.0地震的比例较低,约35%;重叠段2个端部均发生M_S≥6.0地震的比例极小,仅约9%。部分重叠段走向与已经发现的上地幔和地壳高导带埋深走向基本一致,推测重叠异常发生在上地幔和地壳高导带附近,是来自上地幔和地壳内高导带附近的地震异常信息。目前已知,中国大陆强地震主要发生在上地幔高导层的隆起区一带及其壳内高导层发育地区,深部电性测深结果表明,大震易于发生在电导率急剧变化的梯度带,但这些地区何时发生地震还未得知,本文发现的重叠异常解释了这些地区1～2年内是否发生地震这一问题。     

地磁日变化感应电流异常与地震的成组特征初步分析

2019年8月10日—2021年4月28日我国南北地震带及附近地区出现了一组57次地磁日变化感应电流线状集中分布与短期原地重现异常,本文研究了其与之后发生的一组6次6级以上地震之间的关系,发现:①整组重叠异常在时间上可大致分为4个阶段,4个阶段的异常空间分布区域具有前后相邻、阶段相连的特征,以及整组异常首尾相连特征,且随时间的迁移有左旋迹象;②整组重叠异常的异常频次和异常面积随时间变化具有同步性,在第1～3阶段,异常累加频次和异常面积逐渐增大至最大值,然后在第4阶段衰减,组内6次地震中的5次,尤其是最大的玛多7.4级地震发生在异常累加频次和异常面积出现最大值之后的衰减期及之后;③地震可能发生在整组异常期间的任何时间,既可能发生在组内单次异常之后2年左右,也可能发生在组内单次异常之后的短期与临震阶段;④整组重叠异常空间分布具有带状特征,地震基本发生在重叠段分布带边缘,以及重叠段端部密集地区或附近。依据重叠异常发生机理,认为成组重叠异常分布带边缘地区是震前1～2年左右出现过“活动”的高导区与介质电性稳定的高阻区之间的电性结构梯度带,不同于相对稳定的电性结构梯度带,其具有重要的地震中期(1～2年左右)甚至短临前兆意义。     

强震前地磁日变化感应电流线状集中分布孕震机理研究

本文研究了地磁日变化感应电流的短期原地重现异常(简称重叠异常)与两次强地震前重力变化的关系,结果显示,两次强震前都出现感应电流重叠异常,在异常后半年内,重叠段端部附近区域出现重力负异常,其后发生地震.感应电流的重叠段与上地幔和壳内高导带走向基本一致,线状集中分布的地磁日变化感应电流的量级达数千安培,推测其孕震机理可能是某种因素导致上地幔和地壳内高导带出现"裂纹",深部流体进入"裂纹"形成"短时间高导通道",当"短时间高导通道"持续多天,或短期内原地不同日期出现"短时间高导通道"后,出现重叠异常,感应电流在重叠段端部高阻区产生热量,介质的热膨胀导致其上方地面发生变形,引起重力下降,并导致地壳水平挤压高应力处断层间摩擦阻力变小,发生地震.     

地磁活动指数的过去、现在和未来

地磁活动性是范围广、分量多、种类繁、形态异、频谱宽、原因复杂的时变过程.面对如此复杂的地磁活动性,除了分门别类逐一进行深入研究之外,根据实测资料,用简便易行的分类和简单明了的指标,对地磁活动性进行总体检阅和形态学描述也是非常必要的.于是,各种地磁活动指数应运而生.地磁指数不仅是表征地磁活动现象的重要参数,其应用范围逐渐扩展到日地能量耦合计算、电离层一磁层一太阳风空问环境状态描述、空间环境监测、空间天气预报等许多相关领域."地磁活动指数化"的思想正在向别的领域扩展,其构建原理和量算方法也在不断改进和完善.本文将现有的约50种地磁活动指数分两大类型,综述其提出背景和发展过程,分析其使用范围和优缺点,探讨地磁活动指数未来发展的趋势.     

基于GEI方法对苏皖地区地电活动指数的可靠性研究

使用地电扰动幅度与静日变化幅值比的地电活动指数(GEI)计算方法,连续计算江苏、安徽两省6个地电场台站2018年第一季度的单台地电指数D、平均地电指数Ds。同时将地电指数D、Ds与单台地磁指数K、平均地磁指数K(即[K+0.5])对比得到:86.48%的指数D与指数K完全相同或仅相差1,89.44%的指数D s与指数完全相同或仅相差1。两类电、磁指数的高度吻合说明:(1)连续产出的地电指数是可靠的。(2)地电指数D、Ds可以量化界定地电场活动水平。极个别的地电指数D、Ds与地磁指数K、仍存在一定差异,这与地电场台站观测有关,提升地电场观测资料的质量能更好地确定地电指数。(3)地电指数与地磁指数相互弥补能更准确地确定地球电磁活动水平,其在相关的地球科学技术领域有广泛的应用前景。     

Geomagnetically induced currents in the Finnish high-voltage power system

We consider geomagnetically induced currents (GICs) in power systems from the viewpoint of a geophysicist. Special attention is paid to the Finnish high-voltage power system, in which exact theoretical model calculations together with recordings have been performed for several years. We present several examples of theoretically computed GICs using different geophysical models for estimating the geoelectric field driving GICs. Statistical prediction of GICs is outlined referring to studies made in Finland. We show that a combination of GIC recordings at few sites with theoretical modelling of ionospheric currents and the earth's conductivity, and data of geomagnetic activity makes it possible to derive GIC statistics of the entire power system. Finally, we discuss requirements for a long-range prediction of GICs, which will obviously be a widely-studied topic in future.     

磁暴感应地电场波形反演

研究表明,同一区域地电暴记录与地磁场变化率在形态、幅度及周期成分上呈现出较强的相关性。采用磁暴期间电磁场观测数据,基于一维水平层状电性介质模型对地电暴波形进行拟合,反演地下介质电性结构。结果表明,地电暴拟合波形与观测记录一致性较好,利用反演确定的大地电性结构参数和其他磁暴事件,计算得到的理论感应地电场与观测结果相符合。     

磁暴时磁场变化率与地电场相关性研究

对2003年10月29日、10月30日两个典型大磁暴进行了分析,研究了磁暴期间磁场变化率与地电场的关系,以及磁暴期间磁暴、磁场变化率及地电场的周期成分。结果表明,磁暴期间H分量变化率与地电场东向分量观测数据显著相关,并且周期成分相同。     

Recordings and occurrence of geomagnetically induced currents in the Finnish natural gas pipeline network

A project implemented to study the effects of space weather on the Finnish natural gas pipeline was started in August 1998. The aims of the project were (1) to derive a model for calculating geomagnetically induced currents (GIC) and pipe-to-soil (P/S) voltages in the Finnish natural gas pipeline, (2) to perform measurements of GIC and P/S voltages in the pipeline and (3) to derive statistical predictions for the occurrences of GIC and P/S voltages at different locations in the pipeline network.GIC and P/S voltage were recorded at a compressor station. The GIC measurement was made with two magnetometers, one right above the pipe, and another at the Nurmijärvi Geophysical Observatory about 30 km southwest. The largest GIC since November 1998 has been 30 A. The P/S voltage recording was stopped in May 1999, but GIC is still measured.GIC statistics were derived based on the recordings of the geomagnetic field at Nurmijärvi. The geoelectric field was calculated by using the plane wave model. This field was input to the general pipeline model resulting in the distribution of currents and P/S voltages at selected points in the pipeline. As could be expected, the largest P/S voltage variations occur at the ends of the pipeline network, while the largest GIC flow in the middle parts.     

中国低纬地区地磁变化与赤道电射流

根据资料分析了中国低纬地区地磁场Ｈ分量的静日变化规律。结果表明，Ｈ分量日变幅在中午１２点左右达到最大值，在夜间达到最小值，而且，这种受赤道电射流影响的现象还随着季节和太阳活动变化而变化。     

Fundamentals about the flow of geomagnetically induced currents in a power system applicable to estimating space weather risks and designing remedies

Geomagnetically induced currents (GIC) in technological systems, like electric power transmission grids, at the Earth's surface are caused by space weather processes, whose origin is in the Sun. In power systems, transformers may be saturated due to GIC leading to different problems extending from an increase of harmonics to a blackout of the system and damage of transformers. To design reasonable measures against impending problems, GIC magnitudes in the network should be estimated in different circumstances. This paper tackles basic features of GIC flow in a fictitious five-transformer/four-line power system, which is simple enough to make the equations easily manageable but complex enough to yield real and usable information. It is shown that the direction of the geoelectric field affects GIC at different sites but the dependence is not straightforward since GIC produced in one part of the system flows to others. Generally, transmission lines experience much larger GIC than transformers. Series capacitors in transmission lines prevent the flow of dc-like GIC but, without a careful analysis, their installation may result in larger GIC at some transformers of the system thus increasing the risk of problems.     

地面Sq磁场的分析和场向电流

地面Ｓｑ磁场的分析在一定程度上可揭示场向电流的存在。本文将Ｓｑ资料按１／２（夏－冬）的方法定性地显示了空间等效电流的分布。结果表明：在夏、冬季清晨由夏季半球流向冬季半球的场向电流特别明显，可是黄昏时的场向电流似乎不存在，踵时由冬季半球流向夏季半球的场向电流强度反而比清晨场向电流弱一些。