地電暴與磁暴的對比研究

基金項目：福建省地震局科技基金專項（SF202007）

作者簡介：賴加成（1974-），男，工程師。研究方向為地震監測。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.026

摘? 要：為了加深地電暴與磁暴的認知，需要全面加強地電暴與磁暴之間的對比分析。通過針對地電暴與磁暴開展識別分析與統計，并全面加強地磁場與地電場數據的相關性分析，通過對相同地區不同臺站的相關記錄進行對比，可以在一定程度上了解地電暴與磁暴之間的差異性。結果表明，即便臺站地磁場在同一磁暴中出現的變幅基本相同，但是地電場對應的測項其最大變幅則存在相對較大差異性。這說明地電暴與磁暴有著對應關系，磁暴中的地磁場水平分量將會出現明顯變化，正是因為地電暴、磁暴兩者之間具有強對應關系，所以要通過地電暴與磁暴的對比進行研究，可以進一步加深對于地電暴與磁暴的認知。

關鍵詞：地電暴；磁暴；地電場；地磁場；相關性分析

中圖分類號：P318? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0116-04

Abstract： In order to deepen the understanding of geoelectric storm and magnetic storm， it is necessary to strengthen the comparative analysis between geoelectric storm and magnetic storm. Through the identification， analysis and statistics of geoelectric storm and magnetic storm， and comprehensively strengthen the correlation analysis of geomagnetic field and geoelectric field data， by comparing the relevant records of different stations in the same area， we can understand the difference between geoelectric storm and magnetic storm to a certain extent. The results show that although the variation amplitude of the geomagnetic field of the station is basically the same in the same magnetic storm， the maximum amplitude of the corresponding term of the geoelectric field is relatively different. This shows that there is a corresponding relationship between the geoelectric storm and the magnetic storm， and the horizontal component of the geomagnetic field in the magnetic storm will change obviously. It is precisely because there is a strong corresponding relationship between the geoelectric storm and the magnetic storm， so it is necessary to study the comparison between the geoelectric storm and the magnetic storm. Can further deepen the understanding of geoelectric storms and magnetic storms.

Keywords： geoelectric storm; magnetic storm; geoelectric field; geomagnetic field; correlation analysis

通過開展地電暴與磁暴統計分析，可以在相關性分析的基礎上了解地電暴與磁暴之間的關系，地電場與地磁場作為固有物理場，兩者之間的結合可以為人們開展地球電磁環境研究提供非常多的助力。因此，有必要對地電暴與磁暴之間的對比進行研究分析，以此來讓地電暴與磁暴研究成果變得更好。

1? 地電暴與磁暴發展脈絡

地電場與地磁場作為固有物理場，可以共同組成地球電磁學，根據場源差異，可以將地電場劃分為自然電場與大地電場。其中大地電場具有廣域性，自然電場則將會從地下場源誕生，是由地下介質電性結構以及各種物理、化學性質改變所引發的局部性電場變化。自然電場通常有著非常明顯的地域性特征。結合場源差異性，可以把地磁場劃分為內、外源場兩大類。外源場作為變化磁場，一般會在電離層與磁層中均勻分布。內源場主要為地表下磁性物質與電流，能分為地核、地殼與感應場3類[1]。

空間環境的擾動性往往能夠在地電場、地磁場中呈現出具有差異性的反映形態，而且在擾動達到一定量級后還會導致磁暴現象的出現。地電學中的磁暴可以用地電暴來進行表示。學界對磁暴以及地電暴進行研究分析，如今已經經歷了從磁暴、地電暴的單一性研究到綜合性研究的變化與發展，磁暴研究時間與研究技術的成就要優于地電暴，通過在研究層面不斷加強內容拓展，并逐漸提高研究深度，就需要借助綜合性研究結果來加強兩者之間的對比。通過分析磁暴過程中的磁場變化以及與地電場之間的聯系，可以發現磁暴階段的H分量變化率與地電場動向分量觀測數據信息存在顯著相關性。學者孫軍嵩等針對國內11個地電場臺站進行了磁靜日與磁擾日的觀測，并在觀測中分析地下介質均勻性以及空間電磁活動特征和差異性，可以有效了解地電擾動指數，并分析相關指數在地球磁環境的監測與管理，必要時還可以用作科學分析，并分析地電場的觀測情況。需要注意的是，因為我國學界對于地電暴與磁暴之間的綜合對比研究相對較少，所以要結合地區磁暴與地電暴之間的參數對比，進一步提高地電暴與磁暴分析效果。

2? 磁暴與地電暴分析

磁暴作為一種全球性地磁擾動現象，是一種非常重要的磁擾變化形式。磁暴概念代表著由非正常磁場變化，所引發的一種現象，而且磁場還具有全球同步發生性，在實踐階段利用相關定義無法直觀甄別磁暴。需要注意的是，在磁暴過程中，磁場水平分量H會出現突然提高的情況，突然增加將會帶來正脈沖變化，而且正脈沖變化最大幅度可以達到50 nT（常規磁暴10～20 nT），磁暴帶有初相（磁暴開始后，H分量將保持高于磁暴分量的參數水平，并不斷發生起伏變化）、主相（初相結束，磁場將會在短時間內顯著下滑，并在幾小時內逐漸下降到最小值，磁場變化還將伴隨激烈起伏變化的出現）、恢復相（主相結束后，磁場將會逐漸向著磁暴前的水平參數進行恢復，此時依然存在起伏變化，而且起伏變化將會在2～3 d內逐漸恢復）[2]。

地磁K指數普遍大于5，學界能夠結合地磁K指數來完成磁暴分類分析，K指數在5，6、7，8、9時，分別為中常磁暴、中烈磁暴、強烈磁暴。中低緯度的測站可以借助Dx指數進行深度分析，這個指數需要每小時開展一次量測作業，通過在檢測期間不斷分析地磁水平分量的強度變化與發展，將會在引發磁赤道周圍的磁場強度變化的同時對環型電流造成影響，借助Dx指數能夠實現對環型電流變化量參數的分析，該指數在應用階段能夠有效完成對環電流擾動場強度的描述。在磁暴中，地磁H分量往往有著相對較為突出的表現，磁暴多數形態學、統計學特征，都可以由中低緯度H分量變化來表述。

地電暴屬于磁暴階段、磁暴同步地電場水平變化下的產物，從定義出發，地電暴、磁暴具有一定的對應聯系，磁暴地磁場H分量變化較為明顯。而且因為地電場觀測量屬于水平分量，所以兩者還具備較好的對應聯系。在地電暴識別中，當地磁指數大于5時，可以基本明確地電暴出現，但是磁暴卻不能直接以這種方式來鑒定認定，很多情況下將會導致結果質量受到影響。需要注意的是，地電暴識別應該以磁暴發生為核心，即沒有磁暴發生的情況，地電暴同樣并不會出現。

3? 臺站情況與觀測數據分析

在開展地電暴與磁暴對比時，為了讓對比結果精度變得更高，就應該結合臺站的地磁記錄來輔助加強數據分析，只有從多個維度以數據信息為基礎來全面加強地電暴與磁暴研究，才能讓地電暴與磁暴分析效果變得更好。

3.1? 臺站分析

本次分析選取了某市范圍內A、B、C 3個臺站，以3個臺站為基礎，可以通過分析地磁相對記錄與地電場觀測數據來實現對地電暴與磁暴情況的分析。

其中A臺站坐標為東經117.400°，北緯39.698°，海拔高程2.5 m。地電場需要始終按照多方向、多極距觀測方式來研究，L型布極方式，NS向、EW向長極距為400 m，短極距參數為長極距的一半，200 m。觀測中可以通過斜邊觀測來提高觀測精度，電極埋設深度為10 m。在工程項目中，布極的中心位置距離臺站之間的距離為900 m，可以通過地電場儀、地磁相對記錄儀等設備來實現動態性觀測。A臺站的東側位置與南側位置均設置有食用菌廠，由于東側區域的食用菌廠曾經出現火災，因此東側食用菌廠已經停業[3]。而南側區域的食用菌廠，則因為部分電氣設備在室外，所以很多電氣設備會因為風吹雨淋而導致越發破舊，嚴重時還將存在漏電危險。只有結合A臺站附近的實際情況，全面加強數據分析，才能讓地電暴與磁暴對比工作的開展變得更加順利。

B臺站位于國內某村莊，其地理坐標為東經116.858°，北緯38.942°，海拔高程為3.0 m。地電場在分析期間同樣要按照多方向、多極距的觀測方法來加強地電場分析。B臺站的布極方式以及NS向、EW向長、短極距均相同，在開展觀測活動時，為了最大化觀測結果精度，需要通過斜邊觀測來輔助觀測工作的開展，電極埋深為10 m，布極中心點位置距離臺站有150 m。在地電場儀器的基礎之上，所采用的觀測設備為GM-4磁通門磁力儀。臺站附近有工廠，工廠在運行中發出的游散電流，能夠在一定程度上對地磁、地電場觀測結果造成一定影響。

C臺站地理坐標為東經117.192°，北緯38.660°，海拔高程參數為3.8 m。為了最大限度提高觀測結果精度，地電場需要通過多方向多極距觀測，布極方式、NS向、EW向長、短極距與A、B 2個臺站相同。觀測期間需要利用斜邊觀測來保障觀測效果，觀測階段還需要對電極埋深進行控制，電極埋深參數為3 m，布極中心點距離臺站約有140 m。隨著C臺站周邊地區經濟體系的高速發展，C臺站附近的民營企業數量將會與日俱增，而且因為測區外界不遠位置處，已經呈現出了多個小型工廠林立的發展趨勢，所以外界工廠對于C臺站測量結果的精確程度具有一定程度的負面影響，而且測量結果的影響因素也將逐漸變得越發嚴重。

3.2? 磁暴與地電暴觀測數據分析

磁暴具有急始磁暴與緩始磁暴2種類型，與磁暴對應的地電暴，同樣具有急始地電暴與緩始地電暴的差別。通常情況下，急始磁暴在觀測階段非常容易把握磁暴起始時間，而且初相、主相以及恢復相同樣能夠在急始磁暴下快速掌握。所以在分析階段，應該以急始磁暴初相、主相與恢復相來加強分析與管理，并通過對急始地電暴的對應階段進行分析，以此來達到提高觀測結果精確度的目的。相較于急始磁暴與急始地電暴而言，緩始磁暴與緩始地電暴在實際觀測中，不僅觀測難度會更高，觀測結果的精度也將受限。所以在開展磁暴與地電暴數據觀測時，需要以急始磁暴與急始地電暴為核心，以此來達到提高數據分析結果精度的目的。通過對近些年的多次急始磁暴與急始地電暴進行數據分析與對比，以此來提高對比結果的精確度。除此之外，為了進一步增加數據結果精度，還需要嚴格按照北京時間來加強數據分析，只有這樣才能讓地電暴與磁暴數據結果之間對比效果變得更好[4]。

3.3? 地電暴與磁暴觀測數據變化特征

3.3.1? 磁暴變化特征

在磁暴與地電暴對比期間，通過分析不同臺站記錄的磁暴變化情況與特征，可以在提高磁暴觀測結果精度的同時，避免因為磁暴結果質量問題而影響到分析對比結果。通過對A臺站的磁暴數據信息進行分析，可以發現A臺站遇到的磁暴具有以下明顯特征：第一，在A臺站出現磁暴時，磁暴分量將會出現非常明顯的變化，通過分析各個參數的變化情況，可以發現磁暴下的磁場水平分量H變化帶來的影響相對更加明顯。第二，A臺站磁暴階段的初相、主相及恢復相相對比較完整，而且初相從磁場角度進行水平分量H觀測曲線，將會呈現出正脈沖變化的情況，整個磁暴體系將會在1 d內結束，磁暴一般會持續2～3 d。第三，磁暴存在初相、主相及恢復相，主相后的磁場將會逐漸向磁暴出現前的水平，來實現持續緩慢恢復，恢復階段存在起伏變化，一般磁場能夠在2～3 d內，完全恢復平靜期。第四，K指數多數都能超過5，即絕大多數磁暴為中常磁暴、中烈磁暴與強烈磁暴3大類。第五，Dx≤-30 nT，即在中低緯度測站所獲取的地磁指數為-30 nT。為了讓地磁指數在實際應用中獲得最佳效果，需要每間隔1 h、，針對地磁指數進行一次量測，地磁指數在測量期間，能夠充分了解地磁水平強度變化。尤其是磁赤道附近磁場強度，更是會在環型電流的影響下發生改變，因此要利用地磁指數觀測值，來完成對環型電流變化情況的分析。除此之外，地磁指數還可以完成對環電流擾動場DR強度的描述，所以需要借助地磁指數來明確環電流強度值。

通常情況下，磁暴大小要聯系主相最低點幅度變化進行分析，分析階段可以將主相幅度視為磁暴起始點與主相最低點位之間的地磁H分量變幅。初相變幅、磁暴階段數據變幅最大值，能夠在一定程度上直觀表現出磁暴特征。因此在對測區磁暴變化特征開展針對性統計分析期間，必須適當借助初相、主相變幅與最大變幅來完成綜合分析。只有從A、B、C多個臺站的地磁H分量變化開展分析，才能讓最終統計分析結果精度得到進一步提高。

分析不同臺站磁暴初相、主相及最大變幅，可以發現3個區域在磁暴H分量的變化中，并不存在明顯差異性。通過從微觀層面進行綜合分析，在面對磁暴問題時，無論是初相、主相變幅還是最大變化，都會呈現出A臺站小于B臺站小于C臺站的發展趨勢，這是因為3個臺站的維度存在差異性，3個臺站雖然在維度層面比較接近，但卻具有微小差異，微小差異反映到最終結果時，就將導致最終觀測結果出現變化。需要注意的是，磁暴變幅與地磁K指數之間存在關聯性，一般情況下，隨著地磁K指數的增加，磁暴主相變幅與最大變幅將會隨之增加[5]。但個別情況下卻存在例外，即在地磁指數具有一致性的情況下，地磁場H分量變幅有時會增加，有時會縮小，這意味著磁暴變幅與地磁K指數之間并不是簡單的正比例關系。

3.3.2? 地電暴變化特征

通過對地電暴數據信息開展跟蹤分析，可以發現地電暴呈現出的情況為地電場數據劇烈波動，大幅波動的數據，不僅會在地電場EW向上有所反饋，還將會在NS以及斜邊觀測中表現出來。無論是長極距還是短極距都存在大幅變化的情況。通常情況下，地電暴突然性變化將會在磁暴初相階段出現，而且強度與磁暴急始程度之間具有非常緊密的關聯性。隨著急始程度的增加，突跳變化受到的影響將會增加。通過對磁暴主相進行分析，同樣可以發現比較明顯的變化問題，特別是在地磁H分量快速下降的情況下，波動變化將會變得更加嚴重，通過對地磁恢復相情況的分析，可以發現隨著恢復相的延長，地電場的變化頻率呈現下降趨勢，恢復相后期甚至會逐漸趨于平緩，在解決地電暴時間終點時，波動變化最小。在整個地電暴過程中，數據出現大頻率波動變化是核心特征，這種波動因為整體幅度偏大所以將會對正常日變造成影響，所以可以將該波動變化視為衡量地電暴情況的核心指標之一。

通過對磁暴及地電暴進行分析可以發現3個臺站的地電場在反映地電暴時存在明顯的幅度問題，而磁暴幅度則會更加平緩，通過地電暴的特征可以發現，地電場通常容易受到來自地下電性結構變化所帶來的負面影響，而且這種影響還能夠在一定程度上變成導致地電場變化的主要因素。磁暴階段地電場變幅、地磁指數具有關聯性，地磁指數在增加之后，地電場變化將會隨之增加。但是在個別情況下，隨著地磁指數的變化，地電場變幅有時會出現明顯差異，這代表了地電暴變幅與地磁K指數并不只是正比例關系。

3.3.3? 磁暴與地電暴分析

在地球電磁感應理論下，若地區小于源場尺度，就要將源場視為均勻平面電磁波。地電場南北向分量通常會和磁場東向分量時間變化產生對應聯系。而地電場東西向分量，則會與北向分量時間變化對應。在磁暴出現后，地磁各大要素將會發生顯著改變，而水平分量H的變化參數最大，因此可以開展磁暴與地電暴時的H分量與EW向關聯性分析。

針對相同臺站磁暴時的磁場、地電場對比至關重要，在電磁分析期間，地電場與磁場有著一階差分，因此要結合磁場H分量變化情況來開展相關性分析，通過開展相關性分析可以直觀發現地電暴、磁暴的關聯性。在分析磁場H分量變化率時，在記錄地磁H分量分鐘值后，需要將后1分鐘數據與前1分鐘數據相減（即第2分鐘數據減第1分鐘數據），通過規范性分析可以直接形成序列。以數據為核心可以實現對同臺站地電場NS向與EW向觀測數據的相關性分析，進而獲取精度較高的相關系數。通過相關性分析可以發現，不同臺站在磁暴期間，磁場變化率與地電場相關性存在明顯差異，3個臺站之間的主要差別，應該與布極區地下介質電性結構之間存在直接關系，磁暴期間的磁場變化率與地電場EW向具有較好的相關性，磁場變化率與NS向之間的相關性比較差[6]。

4? 結論

總而言之，磁暴在地磁H分量上具有明顯表現且具有完整初相、主相與恢復相，而磁暴期間不同臺站的地電場卻在變幅上有顯著差異。絕大多數情況下，地磁K指數的增加將會導致主相變幅、最大變幅隨之提高，個別情況下存在差異性，而且不同臺站磁場變化率還和地電場相關性存在差異。磁暴時磁場變化率與地電場EW向相關性更好。

參考文獻：

[1] 倪政澤.磁暴感應地電場數據處理及數據庫設計及實現[D].北京：華北電力大學，2022.

[2] 王澤忠，司遠，劉連光.考慮地下各向異性介質的磁暴感應地電場研究[J].電工技術學報，2022，37（5）：1070-1077，1114.

[3] 王如坤，趙凱，馮丹丹，等.磁暴期電離層離子上行能通量的統計關系研究[J].空間科學學報，2022，42（1）：51-64.

[4] 尹天杰，孫亮亮，李章，等.安徽地電場臺站地電暴特征淺析[J].科技資訊，2021，19（9）：104-106.

[5] 周衛東，牛延平，田野，等.電磁衛星地面對比觀測原型系統地電場觀測資料特征分析[J].地震工程學報，2020，42（6）：1517-1522.

[6] 張彩艷，雷功明，趙月梅，等.甘肅嘉峪關、瓜州地電場日變化與地電暴差異機理分析[J].地震工程學報，2020，42（3）：671-679.