地球磁場的變化及磁暴現(xiàn)象的原因分析

羅開奇

摘 要：科學(xué)家們通過觀測發(fā)現(xiàn)了地球磁場及磁暴現(xiàn)象的變化，地球磁場變化以及磁暴現(xiàn)象也一直都是當代科學(xué)學(xué)術(shù)界研究的課題之一，本文通過對地球磁場的變化以及磁暴現(xiàn)象出現(xiàn)的原因進行分析，了解原因并對其進行探討。

關(guān)鍵詞：地球磁場；磁場變化；磁暴現(xiàn)象

中圖分類號：P318 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0023-02

引言

地球本身就是一個磁體，在其表面以及四周的空間都有磁場的存在。地磁的運動及其變化都會對通訊聯(lián)絡(luò)、氣候變化產(chǎn)生重要的影響，對于地球生命來說是很重要的存在；并且在現(xiàn)代的預(yù)測地震、探礦、宇宙射線中有需要運用到地磁的知識研究。

1 地球磁場及磁暴概念

1.1 地球磁場的概念

地球磁場不是孤立存在的，是一種偶極型的存在，類似于將一個磁鐵棒放到地球中心，讓地球磁場的北極能夠在大概上對著南極，進而產(chǎn)生磁場形狀，但這里的南北極并不能與通常地理上的南北極做到位置重合，在位置上存在著磁偏角。磁場向外太空綿延伸展數(shù)萬公里，就形成了地球的磁圈。

1.2 磁暴的概念

磁暴是指太陽表面活動旺盛時，比如太陽黑子極大時期，不斷增加的太陽表面的閃焰爆發(fā)次數(shù)，以及隨著閃焰爆發(fā)伴生的電子束、高能量的質(zhì)子、可見光以及紫外線、X射線。其中的帶電粒子（電子、質(zhì)子）會形成電流對地球磁場的沖擊，由此行為產(chǎn)生的短波通訊就是磁暴。磁暴作為一種自然現(xiàn)象，具有很大的危害性及災(zāi)害性。磁暴發(fā)生時，地磁場不但會產(chǎn)生強烈的跳躍式變化，還會破壞電力線，中斷信號和通信線路，引發(fā)設(shè)備故障，擊穿絕緣電纜等。

2 地球磁場的變化

地球磁場的變化除了受經(jīng)緯度和地面高度的變化外，還受時間的變化影響，有長期變化以及短期變化兩種。

2.1 地球磁場的長期變化

在長期變化上，地球磁場受以下幾個方面的影響：第一，地磁偶極矩的變化。在最近的幾年，地磁偶極矩以每年4*1019安·米2的速度平均遞減，以每年10伽馬左右的變化量進行一個地球磁場的長期變化，所以想要引起百分之幾的的高斯變化，需要經(jīng)過幾百年。第二，西向漂移。距今四百到五百年前，大約在東經(jīng)20°橫跨赤道處是零度磁偏角線的存在地點，現(xiàn)在已經(jīng)變成了西經(jīng)75°處過赤道的地點。第三，地球磁極的地理位置也發(fā)生了變化。經(jīng)過長時間的運動，地磁極也在逐漸變化，在過去的四百年期間，經(jīng)度曾經(jīng)改變了29°左右，地磁N極在緯度上改變了14°左右；S極中，經(jīng)度改變了45°左右，緯度改變了12°左右。而這種變化一直都在默默進行中。

2.2 地球磁場的短期變化

在地球磁場的短期變化中，又可以分為突變、日變和年變?nèi)N，地球磁場的部分短期變化會被稱作地磁變化磁場，剩下的則被稱為基本地磁場或者地磁基本磁場。

地磁場突變是指地磁場突然出現(xiàn)的不規(guī)則變化，又稱為磁暴。磁暴有三類不同的表現(xiàn)形式，一類是急始磁暴，表現(xiàn)形式是變化強度大，持續(xù)時間會比較長；在急始磁暴發(fā)生的時候，地磁場強度的水平分量有時候會迅速增大，在一段時間后又迅速下降，直到幾天后才會逐漸恢復(fù)成磁暴發(fā)生前的狀態(tài)。還有一類是緩始磁暴，在強度上不會發(fā)生很大的變化幅度，大概會有一到兩天的延續(xù)時間。第三類是區(qū)域性磁暴，極區(qū)內(nèi)是其主要的發(fā)生地點，因此又被稱為極區(qū)磁暴，但是也只有幾百伽馬的強度變化，在兩三個小時內(nèi)就會消退。

地磁場的日變是指在一晝夜的周期內(nèi)發(fā)生的改變。日變化中的地磁場磁偏角以及水平分量的強度變化都不會很大，磁偏角只有10′不到的變化幅度，只有在磁傾角的日變中會有較大變化。水平分量只有幾十伽馬的變化量，大概只占水平分量千分之五。通常情況下，越是靠近赤道，地磁場日變化會比高緯度的地方小。例如，泉州南安地磁臺在2017年5.26-5.30日之間的地磁監(jiān)測情況（如圖1）數(shù)值發(fā)生的變化。

地磁場的年變是指以年為單位進行的周期變化，也就是指一年之中的地磁場的日變化的綜合變化。在地磁場的年變中，也沒有均勻的變化分布，主要是通過季節(jié)來表現(xiàn)變化，其中夏季發(fā)生的變化最大，冬季發(fā)生的改變最小，所以地磁場的年變化也可以叫做地磁場的季變化。

3 磁暴現(xiàn)象出現(xiàn)的原因

太陽耀斑的噴出物在磁層邊緣形成激波，歷經(jīng)一天的時間，以1000公里/秒的速度最終到達地球。形成激波還有太陽風(fēng)高速流，這也增加了太陽風(fēng)的壓力，當激波經(jīng)過地球的時候，磁層會出現(xiàn)突然壓縮的情況，這就使得地球一側(cè)的磁場得到了提高，磁流體波作為一種媒介將這種變化傳到地面，地面磁場就開始迅速增強，這就是磁暴最開始的表現(xiàn)。在這個過程結(jié)束后，磁層又開始被壓縮，過程激烈的時候，同步軌道里會出現(xiàn)磁層頂。這時候的磁層內(nèi)會出現(xiàn)對流電場增強、等離子體層收縮的情況，若是收縮過程比較劇烈，離地面2～3個地球半徑的地方就可以發(fā)現(xiàn)等離子體層頂。在激波之后如果太陽風(fēng)的參數(shù)相對均勻，那么在急始之后會出現(xiàn)磁層保持相對穩(wěn)定的被壓縮狀態(tài)。這就是磁暴初相。

磁暴期間，磁層中最有特點的現(xiàn)象是磁層環(huán)電流粒子會逐漸地增多。磁層內(nèi)的磁赤道面距離地心2～10個地球半徑的范圍，大概在4個地球半徑之內(nèi)，四處分布著能量從幾十到幾十萬電子伏的質(zhì)子，這些質(zhì)子就是環(huán)電流粒子，通過向西漂流在地磁場中形成西向環(huán)電流，也被稱為磁層環(huán)電流，該電流大概有106安的強度。磁層平靜時也會出現(xiàn)磁層環(huán)電流。在磁暴的主相期間，環(huán)電流區(qū)注入了大量的從磁尾等離子體片來的低能質(zhì)子，大大增加了環(huán)電流幅度。這些被提高的環(huán)電流通過地面的磁效應(yīng)就造成了H分量的降低，質(zhì)子每注入一次，H就下降一次，這個過程被稱為亞暴，磁暴主相表現(xiàn)是很多連續(xù)的亞暴發(fā)生的結(jié)果。環(huán)電流粒子的總能量與其幅度成正比。一次典型的磁暴中，大概有100納特時的磁暴幅度，4*1015焦耳的環(huán)電流粒子能量。從這些數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)磁暴期間磁層擾動時產(chǎn)生的劇烈情況。

在磁層亞暴期間注入的粒子會繞地球運動，向西漂移，沒有在主相期間完成漂流的電流環(huán)，在這時總是呈非軸對稱的，在黃昏的時候某一側(cè)會顯得更強些。除此之外，亞暴發(fā)生期間還會有伯克蘭電流體系情況出現(xiàn)，其呈現(xiàn)的也是非軸對稱，磁效應(yīng)還能發(fā)生在中低緯度地區(qū)，只是因為距離相差較遠，對比起極光帶來說還遠遠不夠多。主相環(huán)電流與該體系的非軸對稱部分的地磁效應(yīng)結(jié)合在一起就是DS場。因為粒子受磁層波的散射作用，以及交換粒子之后的電荷反應(yīng)，環(huán)電流粒子會不斷消失。在亞暴活動結(jié)束后，環(huán)電流不再有粒子供給，環(huán)電流強度也會逐漸削弱，開始進入磁暴恢復(fù)相。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對地球磁場的變化及磁暴現(xiàn)象的原因進行分析，敘述了地球磁場的概念以及磁暴的概念，再通過對地球磁場的變化分別進行長期變化和短期變化兩個方面來進行分析了解，得出了地球磁場的變化的發(fā)生原因。最后講述了磁暴產(chǎn)生的原因，了解了磁暴在初相期間、亞暴期間、主相期間分別會出現(xiàn)的現(xiàn)象以及持續(xù)時間。通過對以上的分析了解，我們可以得知地球磁場的變化及磁暴現(xiàn)象與人們的生活有息息相關(guān)的影響，對其分析研究可以幫助人們更好的規(guī)避災(zāi)害。

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