地磁脈動

地磁脈動是一種短周期的地磁擾動， 周期一般為0.2~1000s,振幅為0.01~ 10nT。研究地磁脈動可以推測地殼上部的電導率狀況，從而解決某些地質或地球物理問題。除此之外還有年變化、日變化。一年當中，不同季節∆Z不同，冬季與夏季差士10nT左右，一天當中，中午Z較少，早、晚相對較大，但兩者差值很小。

基本介紹

• 中文名：地磁脈動
• 外文名：geomagnetic pulsations
• 特性變化：短周期變化
• 周期範圍：一般為0.2～1000秒
• 振幅：一般為百分之幾到幾十個納特
• 分類：連續脈動、不規則脈動

簡介

地磁場的短周期變化。周期範圍自約十分之二秒至十幾分鐘，振幅範圍為百分之幾納特至幾百納特，持續時間為幾分鐘至幾小時。地磁場的這種短周期變化，是太陽風對地球磁層的作用，以及磁層內部各種因素相互作用所引起的磁場擾動現象。

數據圖

1861年,斯圖爾特(B.Stewart)在英國格林威治的基尤地磁台研究大磁暴時，觀察到地磁場起伏中有一種脈衝式的跳動。在20世紀30年代哈朗(L.Harang)和薩克斯多夫(E.Sucksdorf)等人報導過現在屬於Pc1這種類型的地磁脈動。大規模地研究地磁脈動是從1958年國際地球物理年 (IGY)前後開始的。此後實驗觀測和理論研究都有比較大的進展。 　地磁脈動最初在中緯度地區發現，因為當時見到的脈動振幅比其他種類的地磁變化的振幅都小得多，故稱為地磁微脈動。後來在極光帶發現的地磁脈動，也有振幅很大的，故又稱地磁脈動，現在這兩種名稱都常出現。

觀測及記錄方式

觀測地磁脈動的方法有3類：

①直接探測和記錄地磁場強度各分量。所用儀器有質子旋進磁力儀,懸絲式磁變儀，氦磁強計和銣磁強計等,有的加上濾波裝置，濾出所要的頻段。

②測量和記錄地磁場的時間變化率即，式中t是時間，x、у、z 是地磁場的北向、東向和垂直分量,所用儀器為感應式脈動儀。

③測量固體地球表面層電場強度的變化，一般只測東西方向和南北方向的變化而測不到垂直方向的變化，所用儀器稱為地電儀。 　記錄地磁脈動的方式有兩類，一類是直接記錄地磁脈動的強度（或其時間變化率）隨時間的變化，另一類是把地磁脈動信號經過頻譜分析記錄在敏感紙上形成頻譜對時間的變化圖（聲譜圖，即頻時圖），圖中墨度深淺代表信號的強弱。

分類

兩大類

根據國際地磁學和高空大氣學協會（IAGA）1963年和1976年會議的協定,地磁脈動分為兩大類共9種。第一類稱為連續脈動，它的起伏比較規則，類似正弦曲線，國際通用的符號是Pc，其中P表示脈動(pulsation)，c表示連續(Continuous)；第二類稱為不規則脈動,因為它在曲線記錄圖上的形狀不如Pc規則，振盪曲線的包絡形狀也不規則。這類脈動的國際通用代號是Pi,其中P仍表示脈動，i表示不規則(irregular)。Pc細分為6種,Pi細分為3種：

數據圖

分類介紹

① Pc1脈動　一種比較規則的正弦式振盪,在極光帶和亞極光帶出現的機會最多,振幅一般在0.05～1納特。它幾乎只在磁層平靜時出現，振幅帶有準周期性的變化，在圖上，振盪的包線似乎象一個一個的“珍珠”，即波包，而在每一波包內振盪的頻次是隨時間而增加的，在頻時圖上這種變化很明顯。

② Pc2和Pc3脈動　主要出現在日照半球。當磁層活動強烈時，在中緯度就能觀測到Pc2脈動,振幅一般小於0.2納特。Pc3振幅最大的可到1納特左右,典型的周期是5～30秒。

③ Pc4脈動　主要出現在白天,振幅在中、低緯度地區可大到幾納特，在高緯度地區可以大到20納特,它主要出現在磁層比較平靜的時候,但出現的區域不大，沒有超過1000公里範圍的，持續期是幾分鐘到幾小時，在太陽活動減弱年份，出現頻次增大。

④ Pc5脈動　振幅範圍自幾納特到幾百納特,按其出現時間的不同可分為兩類,即晨間Pc5和午後Pc5,前者在黎明以後 3小時內振幅最大。當磁層由強烈活動狀態恢復到正常狀態的過程中，這種脈動比較強。所有晨間 Pc5出現的區域都在西向極光電急流區域,位於緯度70°附近。午後Pc5，形如有阻尼的波列，出現在磁層暴和磁層亞暴發生時段，故又稱為暴時Pc5，它是一種經度範圍不超過 15°的小範圍脈動現象。

⑤ Pc6脈動　最大振幅出現在極光帶,白天出現周期較長，夜間出現周期較短。

⑥ Pi1 脈動　一種疊加在磁暴主相中的快速地磁擾動,成為磁暴的細微結構。它也與灣擾和Pi2同時出現。 　Pi1 脈動在全球各處均可出現，還可細分為若干類，它們分別和極光強度變化、X射線爆發和宇宙線噪聲吸收有一定關係。

⑦ Pi2脈動　這是一連串的受阻尼的波,在低緯度地區振幅約為幾分之一納特，在極光卵形圈地帶內或在亞暴電急流下面的區域內振幅可大到100納特以上,這種脈動持續時間較短，一般不到10分鐘，而且在一次脈動系列內只有幾次振盪。出現在磁暴期間的Pi2,周期一般都較短。

⑧ Pi3脈動　這種脈動在極光帶最強,主要出現在夜間，有兩種類型。頻率較高的一種，常發生在極光西行浪涌區域，常和極光的脈動同時出現。頻率較低的一種出現在西向電急流中心部分，在西行浪涌通過後很久都還存在。

⑨ 周期漸短的脈動　(國際通用的符號為IPDP,是Intervals of Pulsation with Diminishing Period的縮寫)。這類脈動，有人把它歸入Pc1類，也有人把它歸入Pi類。它出現時振盪的周期隨著時間越來越短，頻率在半小時內可由0.5赫左右增加到 1.5赫左右。這種脈動大部分出現在地方時上半夜，出現的緯度主要在50°～65°之間。它出現時磁層活動很強，有時也伴有極光活動。

傳播過程

傳播

地磁脈動傳播過程中受到電離層的禁止作用，還受到固體地球的調製作用。磁層內產生的磁場脈動在傳播到地面的過程中要穿過電離層。電離層的電導率在各個方向是不相同的，而且電離層 F層內離子的數密度遠較其他區域大，故阿爾文波速度較其他區域低。因此，地磁脈動經過電離層以後，形態有所改變。電離層有霍爾電導率和佩德森電導率，這兩種電導率與方向有關。地磁脈動通過它以後，有的分量增強，有的分量減弱，同時電離層也要對地磁脈動起禁止作用，使高頻部分受到較大的衰減。理論計算的結果是，周期在30秒以下的脈動，所受的影響較大。

地球磁場

地面以下的固體地球部分有相當大的電導率，而地磁脈動又是一種隨時間而變化的電磁場，因此就要在地球內部產生感應電磁場而驅動感應電流。所以在地面上觀測到的脈動並不單是穿過電離層以後的脈動，而是添加了地下感應磁場以後的總和。如果已知地下的導電率，那么就可能從地面觀測到的脈動記錄中把這兩部分區別開來。但是地下的電導率往往是不知道的（實際上倒是套用地球固體的感應效應對地磁脈動的影響，再加上一些對脈動來源性質的假定來推斷地下的電導率），固體地球對地磁脈動的高頻部分近似於電導率為無限大的導電體，它所產生的感應電流會增強原始地磁脈動的水平分量強度而減少其垂直分量的強度,故Pc1、Pc2、Pc3和Pi1所受感應效應的影響比Pc4、Pc5和Pi2要大。原始脈動場與感應脈動場之間有位相差別。地下電阻率越大，相位差就越大。

物理機制

包括兩方面：第一是地磁場振蕩產生和消亡的機制，第二是振盪能量的來源，這兩個問題現在都處在探討的階段。

原因

地磁場能夠產生振盪的機制可能有兩種：

① 地球磁力線的振盪　在磁層內電漿和地磁力線結合在一起，若經激勵就能產生電磁振盪，形成地磁脈動。振盪方式有兩類極端情況，即極式振盪（擾動磁場在經度平面內）和環式振盪（擾動磁場在垂直於經度平面的方向即東西方向），實際上兩種振盪方式常常是混合出現的。磁力線共振的一種原因是磁層邊界面受到太陽風電漿的作用產生表面波，這種波傳入磁層內部與磁力線共振而形成地磁脈動。磁力線共振的另一可能原因是，在磁層內部電漿層頂阿爾文速度有急劇變化的局部區域中，當有一個頻譜範圍包括該處磁力線本徵頻率的脈衝進入時，磁力線發生共振而形成脈動。

② 磁層-電離層之間電流系統的振盪　在磁層-電離層記憶體在的大尺度穩態電流系統，當電漿速度突然改變時，電路中電勢和電容也隨著改變，導致穩態被破壞而產生等效于波的電流振盪，形成地磁脈動。

能量來源

有下列幾種：

① 來自太陽風電漿　當太陽風電漿流過磁層邊界時，在一定條件下能在磁層邊界產生波動，即表面波，這種波向磁層內部傳播時就提供能量使磁力線振動。

② 來自粒子流束的流量　在磁層內當一束高能帶電粒子通過周圍的熱磁化電漿時，有可能產生低頻磁流波，當共振條件存在時，能量就會由粒子束傳給波。粒子束的不穩定性造成了磁脈動。

③ 來自磁層內的質子和電子　在磁層內垂直於地磁場的方向上地磁場有梯度（例如在地球赤道上），當散布範圍較小而能量又較大的質子和電子流入這種磁場區域內時，能使電漿在垂直方向振盪而形成表面波，再經過磁力線振盪而形成地磁脈動。

④ 磁層內有些區域電漿密度有相當大的梯度（例如在等離子層頂）,由此產生電場而出現漂移波,這種波的不穩定性給磁場的振盪提供能量。

⑤ 磁層內　在平行於和垂直於地磁場的兩個方向上，帶電粒子的溫度不相同而波的相速又較小時，電漿波動就可能得到發展，形成空間分布的波，這種波再與因密度梯度存在而生成的漂移波耦合，就會產生只有在空間能觀測到的磁脈動。

研究方向

自1958年國際地球物理年活動以來，地磁脈動的研究有了很大的進展。但是在空間和在地面上全面系統的同步觀測仍然是十分必要的。過去研究現象方面所得到的結論，往往只適用於個別區域。同一種類型的脈動(例如Pc4)的可能機制,未必就只有一種。1970年以前地磁脈動的理論研究工作中，由於致力於探求解析形式的答案，大都忽略了場源的作用，只求易於求解的軸對稱問題，得到極式振盪和環式振盪兩種互相獨立的振盪形式，這和觀測事實的符合程度是有限的。從70年代起場源的問題受到重視，但作數學處理時，採用了簡單的磁場位形，所得結果也有局限性。用磁流波或用磁層、電離層的電流體系來解釋磁脈動，都是研究的途徑。地磁脈動是一種牽涉面很廣的磁層現象，各次脈動之間在很多方面都有差別，如形態類型，頻率特性，偏振特徵，共軛現象，出現頻次在一日內和一年內的分布，出現區的地理緯度、地方時和區域範圍，在空間和地面上的差異等，而且每次脈動都聯繫著它出現時的磁層活動情況，如磁暴、亞暴、灣擾、極光活動、電急流、磁層內帶電粒子的能量、通量變化以及宇宙噪聲吸收、太陽風特性和太陽活動等一系列相關現象。完整的理論應該建立在這些觀測事實的基礎之上，而脈動研究在實驗和理論方面的進展必將加深對於地球磁層和太陽風的認識。