地面磁場擾動信號的變化規律和空間分布研究

黃子萱

摘要：本文選擇2008年至2012年，行星際磁場北向期間15個太陽風動壓突增事件，研究地面磁場擾動信號（初始脈沖（PI）和主要脈沖（MI））的變化規律和空間分布。統計結果顯示地磁場H分量脈沖信號極性分布規律在向陽側（6：00-18：00MLT）與Araki模型預言的一致。

關鍵詞：初始脈沖;主要脈沖;空間分布;Araki模型

1 緒論

空間中太陽風擾動，會引起地球磁層和電離層的大規模擾動，當太陽風動壓突增作用于地球磁層時，磁層頂首先被壓縮，隨后在向陽側磁層頂地向傳播的快模磁流體波被激發，當磁流體波傳播到地面時，中低緯度區域地磁臺站一般會觀測到地磁場水平分量（H分量）響應增強，即觸發地磁場 SI（Sudden Impulse），而在高緯地區的地磁臺站則觀測到地磁場H分量呈雙極性變化，即地磁場H分量先突然降低（增加）并快速恢復（平均持續2～3min），然后突然增加（降低）并持續一段時間，分布在不同磁地方時的地磁臺站觀測到的地磁場極性變化不同^[1]。通常，地磁場H分量的響應可以分為兩個部分，其中前者稱為初始脈沖響應（The Preliminary Impulse，PI），后者則稱為主脈沖響應（The Main Impulse，MI）。針對這種地磁響應現象，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象，稱為Araki SC模型^[2]，解釋了PI和MI在不同磁地方時的分布變化規律。本文的目就是通過對2008-2012年間所有同時在磁層有THEMIS衛星觀測的太陽風動壓突增事件中地磁響應的特征統計分析來檢驗Araki物理模型。

1.1?太陽風動壓脈沖簡介

太陽上的活動過程，如耀斑爆發、日冕物質拋射、冕洞（Coronal Hole）等不停地擾動著平靜的背景太陽風，在行星際空間形成了很多擾動結構，如動壓脈沖（Dynamic Pressure Pulse），行星際激波（Shock），磁云（Magnetic Cloud，MC）行星際日冕物質拋射（ICME），磁流體力學波動（MHD Wave），以及各種間斷面結構^[3]。其中最受人們關注的就是太陽風動壓脈沖結構（Dynamic Pressure Pulse），即太陽風動壓會在很短時間內（小于1min） 突然大幅的增強，即發生我們所謂的太陽動壓突增事件，突增的太陽風動壓會引起地球磁層-電離層大范圍的擾動，該擾動的影響是遍布全球的，它能影響包括磁層以及電離層在內幾乎所有的等離子區域和電流體系。

1.2 Araki 物理模型簡介

由行星際激波和各間斷面結構所造成的太陽風動壓突增，會引起全球的地磁急始脈沖事件（geomagnetic sudden commencement，SC），Araki[1994]曾對這種現象提出了最簡單并且最全面的解釋，他通過總結大量的觀測結果與對別人的理論研究，提出太陽風動壓突增所引起的SC事件中在高緯度地區磁場的H分量即水平分量，由兩個連續的、方向相反的脈沖組成。其中如果PI出現的是上升趨勢，則記為正，簡稱PPI（the positive preliminary impulse），如果PI出現的是下降的趨勢，則記為負，簡稱PRI（the reverse preliminary impulse）。在極區較低緯度，晨側地磁響應特征為先正后負，但是在昏側則為先負后正。在更高緯度，地磁響應特征又不一樣，在晨側的時候則是先負后正，在昏側的時候是先正再負。中低緯度，地磁響應呈現一個類似斜坡的增長，但是仍疊加兩個雙極脈沖結構，只是隨緯度的降低，脈沖結構的振幅也降低。在赤道地區，兩個脈沖結構只出現在日側，夜側則很不明顯。

Araki將地磁突增事件中的地磁變化的特征響應分解為兩部分^[2]：

公式中DL表示地磁場對太陽風動壓的突增時的一個類似于直流信號的階躍響應，DP表示的是兩個脈沖信號響應，這兩個脈沖信號就指的是前文所提到的初始脈沖和主要脈沖響應：

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

2 數據與處理

2.1 太陽風動壓脈沖結構事件選擇

2.2?地磁場數據處理

研究使用了來自加拿大的地磁臺站（CARISMA）^[5]、THEMIS地磁臺站^[6]、阿拉斯加和國際極光地磁效應監測（IMAGE）的地磁臺站陣列、格林蘭地磁臺站陣列、Magnetometer Array for Cusp and Cleft Studies（MACCS）^[7]的地磁數據。本文選擇的90個地磁臺站全球分布情況見圖2。

利用程序下載上述各地磁臺站陣列中各臺站的地磁數據，時間分辨率為0.5至1min。同時為了更加清晰的辨別地磁響應中PI和MI的極性，我們對所有地磁數據都進行了高通濾波，截止周期為1200s。

由于受環境或其他條件的影響，并不是所有地磁臺站的地磁場H、D分量對于太陽風動壓突增的響應都有明顯的結構，為了避免人為錯判所帶來的誤差，我們對于波動較大，或者結構特征不夠明顯的地磁響應，均予以排除。在這里列舉了7個典型的地磁場H分量響應作為例子說明，如圖3所示，臺站PINA、PTRS的地磁響應從12：00UT開始，表現為突然的下降，然后再上升并持續一段時間，根據前文所描述，第一個突然下降的脈沖即為初始脈沖，第二個上升的脈沖即為主要脈沖，而臺站NAQ、SCO的響應則是剛剛相反，表現為先上升再下降，在制作PI和MI的極性響應記錄表時，我們將上升脈沖信號記為“+”，下降脈沖信號則記為“-”，而對于類似與KAR、FYKN、GJOA臺站這樣響應波動較大或地磁響應結構不明顯，無法通過肉眼直接辨別。

3結果與討論

我們選擇發生在2012年5月21日19點37分的太陽風動壓突增事件進行分析。此次事件中向日面部分臺站的地磁響應列于圖4中，我們可以看到隨著臺站所在地磁緯度增高，地磁場H分量的PI/MI的極性逐漸發生反轉。晨側，緯度較低的地區，地磁場H分量的響應特征為先正后負，而緯度較高的地區，地磁場H分量的響應特征為先負后正?；鑲龋卮艌鯤分量的PI和MI的極性變化與晨側剛好相反，即在緯度較低的區域，地磁場H分量的響應特征為先負后正，緯度較高的地區，H分量的響應特征為先正后負。為了對PI/MI的分布規律，有更直觀的了解，我們將本次事件中，地磁場H分量的PI極性展示在地磁坐標系中（圖5），并將臺站GAKO、KIAN、GILL等10個臺站在地磁坐標系中的具體位置標注在其中。其中X軸和Y軸的分別代表磁當地時和地磁緯度，圖中黑點表示極性響應為負，加號表示極性響應為正。

圖5?左圖是2012年5月21日19：37的太陽風動壓突增事件地磁場H分量的PI極性在地磁坐標系中的分布。

右圖為模擬結果，引自Lam et al.[2001]^[4]。

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

4 結論

本文首先給出典型事例2012年5月21日19：37地磁場H分量的PI正負極性在地磁坐標系中的分布規律，并與Lam et al.[2001]的模擬結果作了對比。發現在向陽側（06：00-12：00 MLT、12：00-18：00 MLT），極性分布和模型的結果一致，但是晨側正負極性的分界線（～67°N）低于模擬值（75°N），因此可能位于閉合磁力線區。

參考文獻

[1]姚麗，左平兵，劉振興，陳化然，地球磁層對太陽風動壓脈沖結構響應的研究進展天文學進展，2012.28（4）

[2]Araki，T.（1994），A physical model of the geomagnetic sudden commencement，in Solar Wind Sources of Magnetospheric Ultra-Low-Frequency Waves，Geophys. Monogr. Ser.，vol. 81，edited by M. J Engebretson，K. Takahashi，and M. Scholer，pp. 183–?200，AGU，Washington，D.C

[3]李暉，行星際擾動對地球空間環境的影響研究，博士論文，空間科學與應用研究中心，2011

[4]Lam，M. M.，and A. S. Rodger（2001），A case study test of Arakis physical model of geomagnetic sudden commencement，J .Geophys. Res.，106，13，135.

[5]Mann，I. R.，et al.（2008），The Upgraded?CARISMA?Magnetometer Array In the THEMIS?Era，Space?Sci. Rev.，141，413–451，doi：10.1007/s 11214-008-9457-6.

[6]Russell，C. T.，et al.（2008），THEMIS ground-based magnetometers，Space Sci. Rev.，141，389–412，doi：10.1007/s11214-008-9337-0.

[7]Hughes，W. J.，and M. J. Engebretson（1997），Spatial，MACCS：Magnetometer array for cusp and cleft studies，in Satellite-Ground Based Coordination Sourcebook，edited by M. Lockwood，M. N. Wild，and H. J. Opgenoorth，Rep. ESA SP-1198，p. 119.

（作者單位：北京市第十二中學）