地球變化磁場

地球變化磁場（variation of geomagnetic field）是起源於地球外部併疊加在基本磁場上的各種短期的變化磁場

基本介紹

• 中文名：地球變化磁場
• 外文名：variation of geomagnetic field
• 原因：由固體地球外部原因引起的
• 起源處：地球外部

簡介

地球變化磁場（variation of geomagnetic field）是起源於地球外部併疊加在基本磁場上的各種短期的變化磁場。地球變化磁場可分為兩大類：①來源於電離層中的各種電流體系，如（太陽）靜日變化、太陰日變化等。它們的變化較有規律，且一直存在，稱地磁場的平靜變化；②來源於太陽輻射的粒子流及其在電離層內外形成的各種短暫的電流體系，如干擾太陽日變化、短周期變化或稱地磁脈動、磁暴時變化、灣擾、鉤擾等。它們往往是突然發生的，故稱地磁場的干擾變化（磁擾）。

原因

主要由固體地球外部原因引起的、疊加在地球基本磁場之上的各種短期的地磁變化。按照成因的不同，變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類。前者的基本成因是電離層在地磁場中運動產生較為穩定的電流體系。後者的基本成因是太陽風同地磁場相互作用，在磁層和電離層中形成各種短暫的電流體系。地球外部的各種電流體系，都能在固體地球內部感應出相應的內部電流體系。每一種地磁變化，都是外部電流體系和內部電流體系產生的磁場之和。一般前者約占總和的70%，後者約占30%。

地磁場的平靜變化

經常出現的疊加在基本磁場之上的各種周期性的地磁變化，分為太陽靜日變化Sq和太陰日變化L。 　太陽靜日變化 　以一個太陽日為周期的地磁變化，簡稱為靜日變化。這種變化明顯地依賴於地方太陽時，白天變化大而夜間變化小。這種變化是由不同周期的諧波成分構成的。利用全年的地磁日變資料，套用傅立葉分析，可知最主要的諧波成分是以24小時為周期的全日波和以12小時為周期的半日波，並且全日波比半日波稍強一些。在一天之內，靜日變化的最大值同最小值之差稱為日變幅。日變幅是逐日而異的，其變化的規律性主要表現為季節變化和約以11年為周期的太陽黑子周變化。季節變化的特點是，夏季的日變幅較大，冬季的日變幅較小。太陽黑子周變化的特點是，太陽活動極大年的日變幅大，而太陽活動極小年的日變幅小。

日變形態和日變幅

地面各處的日變形態和日變幅，還隨著磁緯度呈現出規律性的分布。春秋分時期，各個地磁要素日變化緯度分布(圖1)的顯著特點是：北向強度δX約在磁緯度Φ=±30°附近發生形態轉換，並且日變幅最小；而在Φ=0°的磁赤道上日變幅最大，約為150納特。東向強度δY和垂直強度δZ都在Φ=0°處發生形態轉換,日變幅接近於零；而在Φ=±30°附近日變幅最大，分別約為 40納特和30納特。

春秋分時期，太陽靜日變化的外部等效電流體系的分布如圖2所示。這種電流體系分布在離地面高度約為100公里的電離層E層中，它是電離層在地磁場中運動產生的。電離層在日月引力（主要是月球引力）和太陽熱力的作用下發生潮汐運動和對流運動。具有良好導電性能的電離層在地磁場中運動就必然產生感生電流。這種機制類似於發電機，因此稱其為高層大氣的發電機效應。這種外部電流體系的分布特徵是：電流呈渦旋形，主要分布在向日半球上。在春秋分期間，南北半球對稱；夏至時期，北半球的電流增強，分布範圍擴大,渦旋中心向低緯度移動，而南半球的電流減弱,分布範圍縮小，渦旋中心向高緯度移動；冬至時期，情況相反。因此，夏季和冬季的靜日變化緯度分布就發生了同電流體系相應的變化。

除了正常的靜日變化的緯度分布規律以外，磁赤道南北兩側各約15°的狹長條帶地區內，水平強度和垂直強度的日變幅度都顯著地增強，這種現象稱為靜日變化的赤道異常。在磁赤道上空的電離層中，在磁赤道南北兩側各約 150公里的狹長條帶內，因為沿磁赤道方向的電導率很高，所以產生了一個向東流動的強電流，稱為赤道電急流。它產生的磁場形成靜日變化的赤道異常。 　太陰日變化 　以半個太陰日為主要周期的、依賴於地方太陰時的變化。太陰日長為24小時50分28秒。太陰日變化的一個突出特點是變化形態和朔、上弦、望、下弦這種月相變化相關，而一個朔望月的平均形態卻具有很規則的正弦形。太陰日變化很弱，最大振幅是：磁偏角約為40″，水平強度和垂直強度約為1～2納特。太陰日變化亦具有季節變化和依賴磁緯度而呈現規律性分布等特徵。

地磁場的干擾變化

在變化磁場中，還有一些偶然發生的、疊加在基本磁場和平靜變化之上的各種短暫的地磁變化，稱為地磁場的干擾變化，簡稱為磁擾。磁擾具有各種類型，主要的磁擾有太陽粒子流擾動場 (DCF)、環電流擾動場(DR)、地磁亞暴(DPI)、太陽擾日變化(SD)和地磁脈動 (P)。粒子流擾動場和環電流擾動場常常是相繼伴隨發生的，形成一種具有特殊規則形態的地磁擾動，並且二者在成因上都同太陽噴射出來的帶電粒子流有關，因此常把二者合併稱為磁暴時變化(Dst)。地磁亞暴和太陽擾日變化主要是極區的地磁現象，在極光帶附近最強烈，二者的電流體系是同時形成的，因此二者又合稱為極光區磁擾。各種類型的磁擾常重疊在一起出現，尤其在磁暴發生時，各種磁擾往往疊加在磁暴時變化之上，形成了複雜而強烈的地磁擾動。

磁暴

含義

全球同時發生的,磁情指數K（見地磁指數）達到 5以上的強烈磁擾。全球同時發生的由粒子流擾動場和環電流擾動場構成的磁暴時變化是磁暴的基本成分，決定了磁暴的全球性、同時性和基本形態。

特點

磁暴的一個突出特點是在全球範圍內幾乎同時發生，並且以水平強度的擾動為最強烈，形態也最規則。擾動開始時，水平強度在幾分鐘或十幾分鐘內突然地急促上升，上升的幅度一般為幾納特至幾十納特，這種磁暴稱為急始磁暴(SC)。擾動的起始也可以表現為水平強度緩慢地上升，這種磁暴稱為緩始磁暴(GC)。這兩類磁暴的形態見圖3。在急始磁暴或緩始磁暴以後的幾個小時以內，水平強度是增加的。這個階段稱為初相。它是粒子流擾動場的表現。初相以後，水平強度先迅速下降，一般約經過十幾個小時左右就下降到最小值,後又緩慢上升,約經過1～3天才可恢復到正常狀態。下降的幅度約為幾十納特至幾百納特。這個下降階段和恢復階段分別稱為主相和恢復相。在主相和恢復相期間，水平強度小於正常值，這是環電流產生的地磁效應。具有初相、主相和恢復相這種特殊的規則形態，是磁暴時變化的形態特徵。磁暴時變化的形態在全球是一致的。變化的幅度在磁赤道上最大，緯度增高，幅度逐漸減小。這種變化主要是中、低緯度地區的地磁現象（圖4）。

時間

磁暴發生的次數在時間上的分布是不均勻的。太陽活動極大年磁暴多，可達20～40個，太陽活動極小年磁暴少,約為5～20個；春秋季磁暴多，冬夏季磁暴少。一部分磁暴還可按照太陽自轉的會合周期每隔27天重複出現一次，不過，大多數情況只重現1～2次，個別情況可重現10次。磁暴在時間上的分布特點說明，磁暴和太陽活動有密切關係，磁暴起源於太陽粒子流，這正是所有磁暴理論的基本出發點。

地磁亞暴

主要是持續時間約為1～3小時的地磁場變化。在高緯地區，尤其在極光帶附近，擾動往往複雜而強烈,擾動幅度可達幾百納特,甚至2000納特以上。在中低緯地區，擾動幅度一般為幾十納特，而形態近似海灣形，故地磁亞暴又有地磁灣擾之稱。灣擾在水平強度上最顯著。依水平強度的增強和減弱，灣擾又區分為正灣擾和負灣擾。在極光帶附近出現負灣擾較多，而在中低緯度地區出現正灣擾較多。形成灣擾的理想的等效電流體系分布在電離層中,電流主要集中在極光帶附近,稱為極光帶電急流。夜間的西向電急流比白天的東向電急流強得多,並且分布範圍廣（圖5）。

太陽擾日變化

以一個太陽日為周期的依賴於地方磁時的變化，常稱為擾日變化。在高緯度地區，尤其在極光帶附近，變化幅度較大；在中低緯度地區，變化幅度較小。變化形態接近於正弦形。變化幅度和當日的磁擾水平有關係，磁擾越強，幅度就越大。形成擾日變化的理想的等效電流體系分布在電離層中，並且電流也主要集中在極光帶附近。電流的分布比較對稱，不過夜間的西向電急流比白天的東向電急流強一些(圖6)。

地磁脈動

地磁場的短周期變化，具有不同的周期和振幅。周期範圍一般為 0.2秒至1000秒。振幅範圍一般為十分之一納特至幾十納特。按照形態的不同，地磁脈動分為兩大類型：一類稱為連續脈動(Pc)，另一類稱為不規則脈動(Pi)。前者近似於正弦振盪，振幅比較穩定，而後者的振幅或逐步衰減或常有起伏。按照周期的長短，這兩類地磁脈動又各分為6類和3類（見表）。Pc型脈動的振幅和周期具有一定關係。周期越長，振幅一般越大，並且在各個周期段內振幅還具有極大值和極小值。其中，Pc1振幅小於0.1納特，而Pc6振幅可達500納特以上。在Pi型脈動中,Pi1振幅一般小於0.5納特；Pi2振幅平均約為1納特；Pi3振幅一般為10納特左右,在個別情況下也可達到100納特以上。這種分類不是任意的，不僅各種脈動有著不同的時空分布特徵，而且Pi型脈動和磁擾還具有密切關係。