地磁脉动

地磁脉动（geomagnetic pulsations）是指地磁场的各种短周期变化。其周期范围一般为0.2～1000秒，振幅一般为百分之几到几十个纳特。地磁脉动可分为两大类：①连续脉动，形状为正弦型或近似正弦型，振幅较稳定，持续时间可达数小时；②不规则脉动，其振幅逐渐衰减，类似于阻尼振荡，可持续几分钟到几十分钟。地磁脉动的周期很短，只能在地壳上层产生感应电流，因此研究地磁脉动可以帮助了解地壳上层的电导率分布。

简介

观测及记录方式

分类(两大类 分类介绍)

传播过程(传播 物理机制 原因)

能量来源

研究方向

简介

地磁场的短周期变化。周期范围自约十分之二秒至十几分钟，振幅范围为百分之几纳特至几百纳特，持续时间为几分钟至几小时。地磁场的这种短周期变化，是太阳风对地球磁层的作用，以及磁层内部各种因素相互作用所引起的磁场扰动现象。

1861年,斯图尔特(B.Stewart)在英国格林威治的基尤地磁台研究大磁暴时，观察到地磁场起伏中有一种脉冲式的跳动。在20世纪30年代哈朗(L.Harang)和萨克斯多夫(E.Sucksdorf)等人报道过现在属于Pc1这种类型的地磁脉动。大规模地研究地磁脉动是从1958年国际地球物理年 (IGY)前后开始的。此后实验观测和理论研究都有比较大的进展。 地磁脉动最初在中纬度地区发现，因为当时见到的脉动振幅比其他种类的地磁变化的振幅都小得多，故称为地磁微脉动。后来在极光带发现的地磁脉动，也有振幅很大的，故又称地磁脉动，现在这两种名称都常用。

观测及记录方式

观测地磁脉动的方法有3类：

①直接探测和记录地磁场强度各分量。所用仪器有质子旋进磁力仪,悬丝式磁变仪，氦磁强计和铷磁强计等,有的加上滤波装置，滤出所要的频段。

②测量和记录地磁场的时间变化率即，式中t是时间，x、у、z 是地磁场的北向、东向和垂直分量,所用仪器为感应式脉动仪。

③测量固体地球表面层电场强度的变化，一般只测东西方向和南北方向的变化而测不到垂直方向的变化，所用仪器称为地电仪。 记录地磁脉动的方式有两类，一类是直接记录地磁脉动的强度（或其时间变化率）随时间的变化，另一类是把地磁脉动信号经过频谱分析记录在敏感纸上形成频谱对时间的变化图（声谱图，即频时图），图中墨度深浅代表信号的强弱。

分类

两大类

根据国际地磁学和高空大气学协会（IAGA）1963年和1976年会议的协定,地磁脉动分为两大类共9种。第一类称为连续脉动，它的起伏比较规则，类似正弦曲线，国际通用的符号是Pc，其中P表示脉动(pulsation)，c表示连续(Continuous)；第二类称为不规则脉动,因为它在曲线记录图上的形状不如Pc规则，振荡曲线的包络形状也不规则。这类脉动的国际通用代号是Pi,其中P仍表示脉动，i表示不规则(irregular)。Pc细分为6种,Pi细分为3种：

分类介绍

① Pc1脉动　一种比较规则的正弦式振荡,在极光带和亚极光带出现的机会最多,振幅一般在0.05～1纳特。它几乎只在磁层平静时出现，振幅带有准周期性的变化，在图上，振荡的包线似乎象一个一个的“珍珠”，即波包，而在每一波包内振荡的频次是随时间而增加的，在频时图上这种变化很明显。

② Pc2和Pc3脉动　主要出现在日照半球。当磁层活动强烈时，在中纬度就能观测到Pc2脉动,振幅一般小于0.2纳特。Pc3振幅最大的可到1纳特左右,典型的周期是5～30秒。

③ Pc4脉动　主要出现在白天,振幅在中、低纬度地区可大到几纳特，在高纬度地区可以大到20纳特,它主要出现在磁层比较平静的时候,但出现的区域不大，没有超过1000公里范围的，持续期是几分钟到几小时，在太阳活动减弱年份，出现频次增大。

④ Pc5脉动　振幅范围自几纳特到几百纳特,按其出现时间的不同可分为两类,即晨间Pc5和午后Pc5,前者在黎明以后 3小时内振幅最大。当磁层由强烈活动状态恢复到正常状态的过程中，这种脉动比较强。所有晨间 Pc5出现的区域都在西向极光电急流区域,位于纬度70附近。午后Pc5，形如有阻尼的波列，出现在磁层暴和磁层亚暴发生时段，故又称为暴时Pc5，它是一种经度范围不超过 15的小范围脉动现象。

⑤ Pc6脉动　最大振幅出现在极光带,白天出现周期较长，夜间出现周期较短。

⑥ Pi1 脉动　一种叠加在磁暴主相中的快速地磁扰动,成为磁暴的细微结构。它也与湾扰和Pi2同时出现。 Pi1 脉动在全球各处均可出现，还可细分为若干类，它们分别和极光强度变化、X射线爆发和宇宙线噪声吸收有一定关系。

⑦ Pi2脉动　这是一连串的受阻尼的波,在低纬度地区振幅约为几分之一纳特，在极光卵形圈地带内或在亚暴电急流下面的区域内振幅可大到100纳特以上,这种脉动持续时间较短，一般不到10分钟，而且在一次脉动系列内只有几次振荡。出现在磁暴期间的Pi2,周期一般都较短。

⑧ Pi3脉动　这种脉动在极光带最强,主要出现在夜间，有两种类型。频率较高的一种，常发生在极光西行浪涌区域，常和极光的脉动同时出现。频率较低的一种出现在西向电急流中心部分，在西行浪涌通过后很久都还存在。

⑨ 周期渐短的脉动　(国际通用的符号为IPDP,是Intervals of Pulsation with Diminishing Period的缩写)。这类脉动，有人把它归入Pc1类，也有人把它归入Pi类。它出现时振荡的周期随着时间越来越短，频率在半小时内可由0.5赫左右增加到 1.5赫左右。这种脉动大部分出现在地方时上半夜，出现的纬度主要在50～65之间。它出现时磁层活动很强，有时也伴有极光活动。

传播过程

传播

地磁脉动传播过程中受到电离层的屏蔽作用，还受到固体地球的调制作用。磁层内产生的磁场脉动在传播到地面的过程中要穿过电离层。电离层的电导率在各个方向是不相同的，而且电离层 F层内离子的数密度远较其他区域大，故阿尔文波速度较其他区域低。因此，地磁脉动经过电离层以后，形态有所改变。电离层有霍尔电导率和佩德森电导率，这两种电导率与方向有关。地磁脉动通过它以后，有的分量增强，有的分量减弱，同时电离层也要对地磁脉动起屏蔽作用，使高频部分受到较大的衰减。理论计算的结果是，周期在30秒以下的脉动，所受的影响较大。

地面以下的固体地球部分有相当大的电导率，而地磁脉动又是一种随时间而变化的电磁场，因此就要在地球内部产生感应电磁场而驱动感应电流。所以在地面上观测到的脉动并不单是穿过电离层以后的脉动，而是添加了地下感应磁场以后的总和。如果已知地下的导电率，那么就可能从地面观测到的脉动记录中把这两部分区别开来。但是地下的电导率往往是不知道的（实际上倒是应用地球固体的感应效应对地磁脉动的影响，再加上一些对脉动来源性质的假定来推断地下的电导率），固体地球对地磁脉动的高频部分近似于电导率为无限大的导电体，它所产生的感应电流会增强原始地磁脉动的水平分量强度而减少其垂直分量的强度,故Pc1、Pc2、Pc3和Pi1所受感应效应的影响比Pc4、Pc5和Pi2要大。原始脉动场与感应脉动场之间有位相差别。地下电阻率越大，相位差就越大。

物理机制

包括两方面：第一是地磁场振荡产生和消亡的机制，第二是振荡能量的来源，这两个问题现在都处在探讨的阶段。

原因

地磁场能够产生振荡的机制可能有两种：

① 地球磁力线的振荡　在磁层内等离子体和地磁力线结合在一起，若经激励就能产生电磁振荡，形成地磁脉动。振荡方式有两类极端情况，即极式振荡（扰动磁场在经度平面内）和环式振荡（扰动磁场在垂直于经度平面的方向即东西方向），实际上两种振荡方式常常是混合出现的。磁力线共振的一种原因是磁层边界面受到太阳风等离子体的作用产生表面波，这种波传入磁层内部与磁力线共振而形成地磁脉动。磁力线共振的另一可能原因是，在磁层内部等离子体层顶阿尔文速度有急剧变化的局部区域中，当有一个频谱范围包括该处磁力线本征频率的脉冲进入时，磁力线发生共振而形成脉动。

② 磁层-电离层之间电流系统的振荡　在磁层-电离层内存在的大尺度稳态电流系统，当等离子体速度突然改变时，电路中电势和电容也随着改变，导致稳态被破坏而产生等效于波的电流振荡，形成地磁脉动。

能量来源

有下列几种：

① 来自太阳风等离子体　当太阳风等离子体流过磁层边界时，在一定条件下能在磁层边界产生波动，即表面波，这种波向磁层内部传播时就提供能量使磁力线振动。

② 来自粒子流束的流量　在磁层内当一束高能带电粒子通过周围的热磁化等离子体时，有可能产生低频磁流波，当共振条件存在时，能量就会由粒子束传给波。粒子束的不稳定性造成了磁脉动。

③ 来自磁层内的质子和电子　在磁层内垂直于地磁场的方向上地磁场有梯度（例如在地球赤道上），当散布范围较小而能量又较大的质子和电子流入这种磁场区域内时，能使等离子体在垂直方向振荡而形成表面波，再经过磁力线振荡而形成地磁脉动。

④ 磁层内有些区域等离子体密度有相当大的梯度（例如在等离子层顶）,由此产生电场而出现漂移波,这种波的不稳定性给磁场的振荡提供能量。

⑤ 磁层内　在平行于和垂直于地磁场的两个方向上，带电粒子的温度不相同而波的相速又较小时，等离子体波动就可能得到发展，形成空间分布的波，这种波再与因密度梯度存在而生成的漂移波耦合，就会产生只有在空间能观测到的磁脉动。

研究方向

自1958年国际地球物理年活动以来，地磁脉动的研究有了很大的进展。但是在空间和在地面上全面系统的同步观测仍然是十分必要的。过去研究现象方面所得到的结论，往往只适用于个别区域。同一种类型的脉动(例如Pc4)的可能机制,未必就只有一种。1970年以前地磁脉动的理论研究工作中，由于致力于探求解析形式的答案，大都忽略了场源的作用，只求易于求解的轴对称问题，得到极式振荡和环式振荡两种互相独立的振荡形式，这和观测事实的符合程度是有限的。从70年代起场源的问题受到重视，但作数学处理时，采用了简单的磁场位形，所得结果也有局限性。用磁流波或用磁层、电离层的电流体系来解释磁脉动，都是研究的途径。地磁脉动是一种牵涉面很广的磁层现象，各次脉动之间在很多方面都有差别，如形态类型，频率特性，偏振特征，共轭现象，出现频次在一日内和一年内的分布，出现区的地理纬度、地方时和区域范围，在空间和地面上的差异等，而且每次脉动都联系着它出现时的磁层活动情况，如磁暴、亚暴、湾扰、极光活动、电急流、磁层内带电粒子的能量、通量变化以及宇宙噪声吸收、太阳风特性和太阳活动等一系列相关现象。完整的理论应该建立在这些观测事实的基础之上，而脉动研究在实验和理论方面的进展必将加深对于地球磁层和太阳风的认识。