一、地球磁場及磁暴概念

⒈ 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(gè)磁鐵棒放到地球中心，讓地球磁場的北極能夠在大概上對(duì)著南極，進(jìn)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。

⒉ 磁暴的概念

磁暴是指太陽表面活動(dòng)旺盛時(shí)，比如太陽黑子極大時(shí)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(huì)形成電流對(duì)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(shí)，地磁場不但會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的跳躍式變化，還會(huì)破壞電力線，中斷信號(hào)和通信線路，引發(fā)設(shè)備故障，擊穿絕緣電纜等。

二、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(shí)間的變化影響，有長期變化以及短期變化兩種。

⒈ 地球磁場的長期變化

在長期變化上，地球磁場受以下幾個(gè)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(jìn)行一個(gè)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(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)變成了西經(jīng)75°處過赤道的地點(diǎn)。第三，地球磁極的地理位置也發(fā)生了變化。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行中。

⒉ 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(huì)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(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間會(huì)比較長；在急始磁暴發(fā)生的時(shí)候，地磁場強(qiáng)度的水平分量有時(shí)候會(huì)迅速增大，在一段時(shí)間后又迅速下降，直到幾天后才會(huì)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(qiáng)度上不會(huì)發(fā)生很大的變化幅度，大概會(huì)有一到兩天的延續(xù)時(shí)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(diǎn)，因此又被稱為極區(qū)磁暴，但是也只有幾百伽馬的強(qiáng)度變化，在兩三個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)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(qiáng)度變化都不會(huì)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(huì)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(huì)比高緯度的地方小。例如，泉州南安地磁臺(tái)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。

圖1 泉州南安5.26～5.30地磁臺(tái)變化分值圖

地磁場的年變是指以年為單位進(jìn)行的周期變化，也就是指一年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。

三、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(shí)間，以1000 公里/秒的速度最終到達(dá)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(dāng)激波經(jīng)過地球的時(shí)候，磁層會(huì)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(qiáng)，這就是磁暴最開始的表現(xiàn)。在這個(gè)過程結(jié)束后，磁層又開始被壓縮，過程激烈的時(shí)候，同步軌道里會(huì)出現(xiàn)磁層頂。這時(shí)候的磁層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)對(duì)流電場增強(qiáng)、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(gè)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(duì)均勻，那么在急始之后會(huì)出現(xiàn)磁層保持相對(duì)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(diǎn)的現(xiàn)象是磁層環(huán)電流粒子會(huì)逐漸地增多。磁層內(nèi)的磁赤道面距離地心2～10個(gè)地球半徑的范圍，大概在4個(gè)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(qiáng)度。磁層平靜時(shí)也會(huì)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(gè)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100nt時(shí)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的劇烈情況。

在磁層亞暴期間注入的粒子會(huì)繞地球運(yùn)動(dòng)，向西漂移，沒有在主相期間完成漂流的電流環(huán)，在這時(shí)總是呈非軸對(duì)稱的，在黃昏的時(shí)候某一側(cè)會(huì)顯得更強(qiáng)些。除此之外，亞暴發(fā)生期間還會(huì)有伯克蘭電流體系情況出現(xiàn)，其呈現(xiàn)的也是非軸對(duì)稱，磁效應(yīng)還能發(fā)生在中低緯度地區(qū)，只是因?yàn)榫嚯x相差較遠(yuǎn)，對(duì)比起極光帶來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠多。主相環(huán)電流與該體系的非軸對(duì)稱部分的地磁效應(yīng)結(jié)合在一起就是DS 場。因?yàn)榱Ｗ邮艽艑硬ǖ纳⑸渥饔?，以及交換粒子之后的電荷反應(yīng)，環(huán)電流粒子會(huì)不斷消失。在亞暴活動(dòng)結(jié)束后，環(huán)電流不再有粒子供給，環(huán)電流強(qiáng)度也會(huì)逐漸削弱，開始進(jìn)入磁暴恢復(fù)相。

四、結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)地球磁場的變化及磁暴現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析，敘述了地球磁場的概念以及磁暴的概念，再通過對(duì)地球磁場的變化分別進(jìn)行長期變化和短期變化兩個(gè)方面來進(jìn)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(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象以及持續(xù)時(shí)間。通過對(duì)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(duì)其分析研究可以幫助人們更好的規(guī)避災(zāi)害。