地球电磁现象物理学5-2_121112

用台网资料反演亚暴电流体系
三. 亚暴与湾扰
与亚暴有同一起源, 即极光带纬度上的西向电流
英国克攸地磁台偏角的湾扰记录
卵状极光带
五. 亚暴与磁暴的关系
亚暴与磁暴都是剧烈的磁扰变化，一个磁 暴过程中总是包含多个亚暴，这说明磁暴和亚 暴在物理成因上有密切的关系。有人认为，磁 暴就是一系列亚暴连续发生的合成结果。实际 上，磁暴与亚暴有着重大的区别，磁暴最主要 的标志是主相，主相期间全球中低纬度区的水 平分量持续降低，而这一特点不是亚暴所必有 的。磁暴发生时必有亚暴，而亚暴发生时却不 一定有磁暴。
Sq变化的三个组 成部分，从上 到下依次是
S LT , SUT , S LUT
七. Sq内外源场的 相似性
内外源场Sq等效电 流体系. 上图为外源场 下图为内源场 强度比=2/1 相位差=1h
Sq内外源场 等效电流涡 中心随世界 时的变化。 上图为外源 场，下图为 内源场，圆 圈的大小表 示总电流的 强弱
极区等效电流 体系
四. Sq的全球等效电流体系
D(11,12,1,2),E(3 ,4,9,10),J(5,6,7,8) 三个季节和年平 均 Sq 等 效 电 流 体系(北半球)。 等值线间隔是 20kA。
五. Sq的逐日变化
选择Sq电流焦点南北两侧资料，来扩大差异 (Sq电 流焦点南北两侧变化基本相反), 消除相同（不同电流体 系引起的变化）。——双台分析方法的典型例子。
§5.8 钩扰（太阳耀斑效应）
太阳耀斑发生时 无线电衰落和 地磁钩扰变化 (起始急，只发 生在日照半球）
Sq增强事件
钩扰的等效电流体系
§5.9 地磁脉动
地磁脉动是发生在磁层和电离层中的超 低频等离子体波。 周期范围：0.2秒~十几分钟 振幅：百分之几nT~几百nT 持续时间：几分钟~几小时
一. 脉动的分类及其一般特点
地磁活动带
AE、Kp、Dst指数台站
中科院地质地 球所现有的台 站分布分别位 于高、中、低 纬和极区，可 以同时监测地 球上几个重要 纬度带的地磁 活动情况。
扰日变化(磁扰期间 叠加在太阳静日变 化上的变化)SD(H)与 通 日 变 化 S(H) 纬 度 分布的对比 左列:通日变化 中列:磁暴第一天的 扰日变化 右列:磁暴第二天的 扰日变化
磁暴后第一天 后第二天
SD ( H )
55 最大 过零 反相 30 反相
四. 磁暴的等效电流体系
磁暴变化的等效电流体系 上图Dst 变化， 中图SD 变化， 下图二者的合成 左图从太阳向地球看 右图从北极上空向下看
三. 太阴日变化的电流体系
四. 赤道地区太阴日变化的特点 ——从观测资料发现新现象的范例
(向上和向下的 三角分别指出太 阴子夜和正午时 刻)
§5.6 磁暴与太阳扰日变化
一. 典型磁暴过程描述
1967 年 2 月 16-17 日 磁 暴期间，中 低纬度区不 同经度的6 个地磁台 H 分量的记录
二. 磁暴分类及暴时变化的平均特点
Sq幅度的逐日变化(1973年)
六. Sq的经度差异
∞ n ∂Pnm ∂U m m m m = ∑∑ [(en ,a + in ,a ) cos mt + (en ,b + in ,b ) sin mt ] X (θ , t ) = a∂θ n =1 m =0 ∂θ m ∞ n m 1 ∂U m m m m = ∑∑ [(en ,a + in ,a ) sin mt − (en ,b + in ,b ) cos mt ] Y (θ , t ) = − Pn a sin θ ∂λ n =1 m =0 sin θ ∂U ∞ n m m m m = ∑∑ {[ nen ,a − (n + 1)in ,a ] cos mt + [nen ,b − (n + 1)in ,b ] sin mt}Pnm Z (θ , t ) = ∂r n =1 m =0
西向
东向
东向 西向
A.Schuster早期(1887)研究
Schuster根据Sq水平矢量的纬度-地方时分布特点，提 出两种可能的电流体系：Sq地磁场变化既可由 高空两个电流环形成：北半球电流反时针流 动，南半球电流顺时针流动。 ⇒ 赤道附近从晨侧经中午流向昏侧电流(东向) 也可以由 地下两个电流环形成：北半球电流顺时针流动， 南半球电流反时针流动。 ⇒ 赤道附近从昏侧经中午流向晨侧电流(西向)
T= t −λ
= cos mt cos mλ + sin mt sin mλ cos mT = sin mt cos mλ − cos mt sin mλ sin mT
S q (θ , λ , t ) = S LT (θ , t ) + SUT (θ , λ ) + S LUT (θ , λ , t )
一. 中低纬度区Sq场的特点
1. 时间变化主要依赖于地方时
波茨坦和伊尔库茨克 磁偏角和水平强度 的变化。(相距近 万公里）
2.空间变化主要表现在纬度变化上
Sq 随纬度的变化。 从左到右分别是 X、Y、Z、I， 横坐标是地方时。
地方时-纬度坐标 系中Sq三要素的 等值线
Sq水平矢量分布（纬度-地方时）
全球，max:极光带
脉 动 能 谱
全球，亚暴指示器
早晨:西向电集流区; 午后:磁暴/亚暴
向阳,中高纬,平静期
向阳,中纬度 平静期,(亚)极光带
磁共轭点记到的Pc1脉动动态谱
卫星记到的脉 动和地面纪录 的对比
Pc4
南极长城站记到的Pi2型脉动
二. 脉动的频谱性质
圣胡安地磁H分量的日变化曲线, 以及相应的傅立叶谱(周 期从5分钟到5小时) 。 扰日谱强度>静日；振幅随周期(频率)加长(降低)而增强
太阴日（Lunar day) 月球周日视动周期。自转和公转是月球的真实运 动，运行方向是自西向东的。而月球周日运行的方向 是自东向西的，这不是月球的真实运动，而是地球自 转运动的反映，故称做月球的周日视运动。月球周日 视动周期是24时50多分钟，称做太阴日。它是地球自 转和月球公转两种运动的叠加。一个太阳日平均是24 小时，地球自转一个太阳日之后，月球也公转了13° 多。这样，地球必须再自转13°多，才能完成一个太 阴日。地球自转1°需要4分钟，自转13°多就需要50 多分钟。这就是太阴日与太阳日长短不等的原因。
§5.4 平静太阳日变化
地磁平静日的太阳周日变化叫作“太 阳静日变化”, 记作Sq 。 极区的 Sq ( S 可看到规则的 S
p q p q
)经常淹没在亚暴的剧
烈扰动中，只有在极其平静的条件下，才
Sq的主要特点
1.基本取决于纬度和地方时两个坐标； 2.磁场变化白天大而快速，夜间小而平缓； 3. 季节变化明显，夏季变化大，冬季变化小； 4. 日变幅与太阳活动11年周期有一定关系； 5.不同分量关于地磁赤道呈对称或反对称分布； 6. 极区和高纬地区表现出特有的时空特点， 表明它有不同的起源。
1. 消除太阳日变化, 得到小时残差序列。
2. 将残差序列按太阴日分组 太阴日周期 平均为24小时50分钟，近似等于25小时。 3. 求太阴日变化 对太阴日数据再次使用 时序叠加法，得到月平均变化。最后还 要消去非周期变化，才是该月平均的太 阴日变化。
二. 太阴日变化的特点
不同月相以及全月平 均的太阴日变化. (雅加达，地磁偏 角, 相邻曲线的零 线间隔是4nT）
特点：夏季大冬季小
二. 赤道区Sq的巨幅变化和“洪伽约现象”
洪 伽 约 (Huancayo, Peru)地磁台平静月 和扰动月地磁水平 分量变化。 特点：H分量Sq变 化 幅 度 非 常 大 (~200nT) ； 引 起 H 分量中午正变化是 分布在赤道附近的 东向“赤道电集流”
三. 极区 Sq的双涡结构
1太阴日=24h50m(373o38’) 因为其周期接近太阳日周期（24h），变 幅又小，所以很难识别。 1835年，克赖尔开始探索地磁太阴日变化 的问题，直到1850年他才确切地检测出这种变 化。 查普曼发展了一套有效的分析方法，得到 了可信的结果和合理的物理解释。
一. 太阴日变化的提取
细致而烦琐!需要很长的资料序列
地球电磁现象物理学
PHYSICS OF ELECTROMAGNETIC PHENOMENA OF THE EARTH
GEOMAGNETISM AND SPACE WEATHER (2012.11.12)
第五章 变化磁场及等效电流体系
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节 变化磁场的一般特点 变化磁场的分析方法 变化磁场的等效电流体系 平静太阳日变化 太阴日变化 磁暴与太阳扰日变化 地磁亚暴与湾扰 钩扰 地磁脉动 地磁活动性和地磁指数
地磁脉动谱随纬度的分布 （16个地磁台，6个周期段）
左、中、右三图分别是磁静日、 月平均和磁扰日的情况
§5.10 地磁活动性和地磁指数—— 描述磁扰活动水平的指标
一. 地磁指数分类 采用的时间：为了全球指数的统一性和可对比性， 一律采用世界时来划分时段。 按物理意义分类：有的指数描述磁场的总体活动水 平，有的描述某一特定类型的磁扰。 按空间尺度分类：有的指数只反映单台的扰动情况， 有的则反映全球的平均活动水平。 按现象的时间尺度分类： 1ห้องสมุดไป่ตู้钟、1小时、3小时、 1天、1个月、1年。
1889年，A.Schuster 利用高斯分析法，对此问 题作了定量研究。结果表明，如果只有高空电流， 计算得到的Z分量变化幅度大于观测到的Z，由于内 源电流产生的分量与外源电流相反，所以推断，外 源电流和内源电流同时存在。
3. 季节变化
北半球(左)、赤道(中)、南半球(右)三个台站 Sq(H分量)季节变化
（满月）
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