地面磁場(chǎng)擾動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律和空間分布研究

黃子萱

摘要：本文選擇2008年至2012年，行星際磁場(chǎng)北向期間15個(gè)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增事件，研究地面磁場(chǎng)擾動(dòng)信號(hào)（初始脈沖（PI）和主要脈沖（MI））的變化規(guī)律和空間分布。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示地磁場(chǎng)H分量脈沖信號(hào)極性分布規(guī)律在向陽(yáng)側(cè)（6：00-18：00MLT）與Araki模型預(yù)言的一致。

關(guān)鍵詞：初始脈沖;主要脈沖;空間分布;Araki模型

1 緒論

空間中太陽(yáng)風(fēng)擾動(dòng)，會(huì)引起地球磁層和電離層的大規(guī)模擾動(dòng)，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增作用于地球磁層時(shí)，磁層頂首先被壓縮，隨后在向陽(yáng)側(cè)磁層頂?shù)叵騻鞑サ目炷４帕黧w波被激發(fā)，當(dāng)磁流體波傳播到地面時(shí)，中低緯度區(qū)域地磁臺(tái)站一般會(huì)觀測(cè)到地磁場(chǎng)水平分量（H分量）響應(yīng)增強(qiáng)，即觸發(fā)地磁場(chǎng) SI（Sudden Impulse），而在高緯地區(qū)的地磁臺(tái)站則觀測(cè)到地磁場(chǎng)H分量呈雙極性變化，即地磁場(chǎng)H分量先突然降低（增加）并快速恢復(fù)（平均持續(xù)2～3min），然后突然增加（降低）并持續(xù)一段時(shí)間，分布在不同磁地方時(shí)的地磁臺(tái)站觀測(cè)到的地磁場(chǎng)極性變化不同^[1]。通常，地磁場(chǎng)H分量的響應(yīng)可以分為兩個(gè)部分，其中前者稱為初始脈沖響應(yīng)（The Preliminary Impulse，PI），后者則稱為主脈沖響應(yīng)（The Main Impulse，MI）。針對(duì)這種地磁響應(yīng)現(xiàn)象，Araki提出了著名的磁暴急始（SC）模型來試圖解釋這種全球的現(xiàn)象，稱為Araki SC模型^[2]，解釋了PI和MI在不同磁地方時(shí)的分布變化規(guī)律。本文的目就是通過對(duì)2008-2012年間所有同時(shí)在磁層有THEMIS衛(wèi)星觀測(cè)的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增事件中地磁響應(yīng)的特征統(tǒng)計(jì)分析來檢驗(yàn)Araki物理模型。

1.1?太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓脈沖簡(jiǎn)介

太陽(yáng)上的活動(dòng)過程，如耀斑爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射、冕洞（Coronal Hole）等不停地?cái)_動(dòng)著平靜的背景太陽(yáng)風(fēng)，在行星際空間形成了很多擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，如動(dòng)壓脈沖（Dynamic Pressure Pulse），行星際激波（Shock），磁云（Magnetic Cloud，MC）行星際日冕物質(zhì)拋射（ICME），磁流體力學(xué)波動(dòng)（MHD Wave），以及各種間斷面結(jié)構(gòu)^[3]。其中最受人們關(guān)注的就是太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓脈沖結(jié)構(gòu)（Dynamic Pressure Pulse），即太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)（小于1min） 突然大幅的增強(qiáng)，即發(fā)生我們所謂的太陽(yáng)動(dòng)壓突增事件，突增的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓會(huì)引起地球磁層-電離層大范圍的擾動(dòng)，該擾動(dòng)的影響是遍布全球的，它能影響包括磁層以及電離層在內(nèi)幾乎所有的等離子區(qū)域和電流體系。

1.2 Araki 物理模型簡(jiǎn)介

由行星際激波和各間斷面結(jié)構(gòu)所造成的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增，會(huì)引起全球的地磁急始脈沖事件（geomagnetic sudden commencement，SC），Araki[1994]曾對(duì)這種現(xiàn)象提出了最簡(jiǎn)單并且最全面的解釋，他通過總結(jié)大量的觀測(cè)結(jié)果與對(duì)別人的理論研究，提出太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增所引起的SC事件中在高緯度地區(qū)磁場(chǎng)的H分量即水平分量，由兩個(gè)連續(xù)的、方向相反的脈沖組成。其中如果PI出現(xiàn)的是上升趨勢(shì)，則記為正，簡(jiǎn)稱PPI（the positive preliminary impulse），如果PI出現(xiàn)的是下降的趨勢(shì)，則記為負(fù)，簡(jiǎn)稱PRI（the reverse preliminary impulse）。在極區(qū)較低緯度，晨側(cè)地磁響應(yīng)特征為先正后負(fù)，但是在昏側(cè)則為先負(fù)后正。在更高緯度，地磁響應(yīng)特征又不一樣，在晨側(cè)的時(shí)候則是先負(fù)后正，在昏側(cè)的時(shí)候是先正再負(fù)。中低緯度，地磁響應(yīng)呈現(xiàn)一個(gè)類似斜坡的增長(zhǎng)，但是仍疊加兩個(gè)雙極脈沖結(jié)構(gòu)，只是隨緯度的降低，脈沖結(jié)構(gòu)的振幅也降低。在赤道地區(qū)，兩個(gè)脈沖結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)在日側(cè)，夜側(cè)則很不明顯。

Araki將地磁突增事件中的地磁變化的特征響應(yīng)分解為兩部分^[2]：

公式中DL表示地磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的突增時(shí)的一個(gè)類似于直流信號(hào)的階躍響應(yīng)，DP表示的是兩個(gè)脈沖信號(hào)響應(yīng)，這兩個(gè)脈沖信號(hào)就指的是前文所提到的初始脈沖和主要脈沖響應(yīng)：

角的值表示的是圖的刻度值（nT），較細(xì)的實(shí)線和虛線分別代表的是DP和DL，粗線代表的是總的疊加場(chǎng)，水平虛線表示H=0。

2 數(shù)據(jù)與處理

2.1 太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓脈沖結(jié)構(gòu)事件選擇

2.2?地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)處理

研究使用了來自加拿大的地磁臺(tái)站（CARISMA）^[5]、THEMIS地磁臺(tái)站^[6]、阿拉斯加和國(guó)際極光地磁效應(yīng)監(jiān)測(cè)（IMAGE）的地磁臺(tái)站陣列、格林蘭地磁臺(tái)站陣列、Magnetometer Array for Cusp and Cleft Studies（MACCS）^[7]的地磁數(shù)據(jù)。本文選擇的90個(gè)地磁臺(tái)站全球分布情況見圖2。

利用程序下載上述各地磁臺(tái)站陣列中各臺(tái)站的地磁數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為0.5至1min。同時(shí)為了更加清晰的辨別地磁響應(yīng)中PI和MI的極性，我們對(duì)所有地磁數(shù)據(jù)都進(jìn)行了高通濾波，截止周期為1200s。

由于受環(huán)境或其他條件的影響，并不是所有地磁臺(tái)站的地磁場(chǎng)H、D分量對(duì)于太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增的響應(yīng)都有明顯的結(jié)構(gòu)，為了避免人為錯(cuò)判所帶來的誤差，我們對(duì)于波動(dòng)較大，或者結(jié)構(gòu)特征不夠明顯的地磁響應(yīng)，均予以排除。在這里列舉了7個(gè)典型的地磁場(chǎng)H分量響應(yīng)作為例子說明，如圖3所示，臺(tái)站PINA、PTRS的地磁響應(yīng)從12：00UT開始，表現(xiàn)為突然的下降，然后再上升并持續(xù)一段時(shí)間，根據(jù)前文所描述，第一個(gè)突然下降的脈沖即為初始脈沖，第二個(gè)上升的脈沖即為主要脈沖，而臺(tái)站NAQ、SCO的響應(yīng)則是剛剛相反，表現(xiàn)為先上升再下降，在制作PI和MI的極性響應(yīng)記錄表時(shí)，我們將上升脈沖信號(hào)記為“+”，下降脈沖信號(hào)則記為“-”，而對(duì)于類似與KAR、FYKN、GJOA臺(tái)站這樣響應(yīng)波動(dòng)較大或地磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)不明顯，無法通過肉眼直接辨別。

3結(jié)果與討論

我們選擇發(fā)生在2012年5月21日19點(diǎn)37分的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增事件進(jìn)行分析。此次事件中向日面部分臺(tái)站的地磁響應(yīng)列于圖4中，我們可以看到隨著臺(tái)站所在地磁緯度增高，地磁場(chǎng)H分量的PI/MI的極性逐漸發(fā)生反轉(zhuǎn)。晨側(cè)，緯度較低的地區(qū)，地磁場(chǎng)H分量的響應(yīng)特征為先正后負(fù)，而緯度較高的地區(qū)，地磁場(chǎng)H分量的響應(yīng)特征為先負(fù)后正。昏側(cè)，地磁場(chǎng)H分量的PI和MI的極性變化與晨側(cè)剛好相反，即在緯度較低的區(qū)域，地磁場(chǎng)H分量的響應(yīng)特征為先負(fù)后正，緯度較高的地區(qū)，H分量的響應(yīng)特征為先正后負(fù)。為了對(duì)PI/MI的分布規(guī)律，有更直觀的了解，我們將本次事件中，地磁場(chǎng)H分量的PI極性展示在地磁坐標(biāo)系中（圖5），并將臺(tái)站GAKO、KIAN、GILL等10個(gè)臺(tái)站在地磁坐標(biāo)系中的具體位置標(biāo)注在其中。其中X軸和Y軸的分別代表磁當(dāng)?shù)貢r(shí)和地磁緯度，圖中黑點(diǎn)表示極性響應(yīng)為負(fù)，加號(hào)表示極性響應(yīng)為正。

圖5?左圖是2012年5月21日19：37的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓突增事件地磁場(chǎng)H分量的PI極性在地磁坐標(biāo)系中的分布。

右圖為模擬結(jié)果，引自Lam et al.[2001]^[4]。

為便于比較，將Lam et al.[2001]給出的地磁場(chǎng)H分量的PI極性的模擬計(jì)算結(jié)果列在圖5中右圖?？梢钥闯?，該事件與模擬計(jì)算結(jié)果在向日側(cè)（06：00-12：00 MLT、12：00-18：00 MLT）呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，而在夜側(cè)（00：00-06：00 MLT和18：00-24：00 MLT）兩者并不一致。此外，該事件晨側(cè)的PI極性發(fā)生反轉(zhuǎn)的分界線的位置～67°N（AACGM），低于模型所給的～75°N，因此可能位于閉合磁力線區(qū)。

4 結(jié)論

本文首先給出典型事例2012年5月21日19：37地磁場(chǎng)H分量的PI正負(fù)極性在地磁坐標(biāo)系中的分布規(guī)律，并與Lam et al.[2001]的模擬結(jié)果作了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)在向陽(yáng)側(cè)（06：00-12：00 MLT、12：00-18：00 MLT），極性分布和模型的結(jié)果一致，但是晨側(cè)正負(fù)極性的分界線（～67°N）低于模擬值（75°N），因此可能位于閉合磁力線區(qū)。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：北京市第十二中學(xué)）