经验交流▏地球磁场的变化及磁暴现象的原因分析
地球本身就是一个磁体，在其表面以及四周的空间都有磁场的存在。地磁的运动及其变化都会对通讯联络、气候变化产生重要的影响，对于地球生命来说是很重要的存在；并且在现代的预测地震、探矿、宇宙射线中有需要运用到地磁的知识研究。
一、地球磁场及磁暴概念
⒈ 地球磁场的概念
地球磁场不是孤立存在的，是一种偶极型的存在，类似于将一个磁铁棒放到地球中心，让地球磁场的北极能够在大概上对着南极，进而产生磁场形状，但这里的南北极并不能与通常地理上的南北极做到位置重合，在位置上存在着磁偏角。磁场向外太空绵延伸展数万公里，就形成了地球的磁圈。
⒉ 磁暴的概念
磁暴是指太阳表面活动旺盛时，比如太阳黑子极大时期，不断增加的太阳表面的闪焰爆发次数，以及随着闪焰爆发伴生的电子束、高能量的质子、可见光以及紫外线、X 射线。其中的带电粒子（电子、质子）会形成电流对地球磁场的冲击，由此行为产生的短波通讯就是磁暴。磁暴作为一种自然现象，具有很大的危害性及灾害性。磁暴发生时，地磁场不但会产生强烈的跳跃式变化，还会破坏电力线，中断信号和通信线路，引发设备故障，击穿绝缘电缆等。
二、地球磁场的变化
地球磁场的变化除了受经纬度和地面高度的变化外，还受时间的变化影响，有长期变化以及短期变化两种。
⒈ 地球磁场的长期变化
在长期变化上，地球磁场受以下几个方面的影响：第一，地磁偶极矩的变化。在最近的几年，地磁偶极矩以每年4×1019安·米2的速度平均递减，以每年10伽马左右的变化量进行一个地球磁场的长期变化，所以想要引起百分之几的的高斯变化，需要经过几百年。第二，西向漂移。距今四百到五百年前，大约在东经20°横跨赤道处是零度磁偏角线的存在地点，现在已经变成了西经75°处过赤道的地点。第三，地球磁极的地理位置也发生了变化。经过长时间的运动，地磁极也在逐渐变化，在过去的四百年期间，经度曾经改变了29°左右，地磁N极在纬度上改变了14°左右；S极中，经度改变了45°左右，纬度改变了12°左右。而这种变化一直都在默默进行中。
⒉ 地球磁场的短期变化
在地球磁场的短期变化中，又可以分为突变、日变和年变三种，地球磁场的部分短期变化会被称作地磁变化磁场，剩下的则被称为基本地磁场或者地磁基本磁场。
地磁场突变是指地磁场突然出现的不规则变化，又称为磁暴。磁暴有三类不同的表现形式，一类是急始磁暴，表现形式是变化强度大，持续时间会比较长；在急始磁暴发生的时候，地磁场强度的水平分量有时候会迅速增大，在一段时间后又迅速下降，直到几天后才会逐渐恢复成磁暴发生前的状态。还有一类是缓始磁暴，在强度上不会发生很大的变化幅度，大概会有一到两天的延续时间。第三类是区域性磁暴，极区内是其主要的发生地点，因此又被称为极区磁暴，但是也只有几百伽马的强度变化，在两三个小时内就会消退。
地磁场的日变是指在一昼夜的周期内发生的改变。日变化中的地磁场磁偏角以及水平分量的强度变化都不会很大，磁偏角只有10′不到的变化幅度，只有在磁倾角的日变中会有较大变化。水平分量只有几十伽马的变化量，大概只占水平分量千分之五。通常情况下，越是靠近赤道，地磁场日变化会比高纬度的地方小。例如，泉州南安地磁台在2017年5.26～5.30日之间的地磁监测情况（如图1）数值发生的变化。
图1 泉州南安5.26～5.30地磁台变化分值图
地磁场的年变是指以年为单位进行的周期变化，也就是指一年中的地磁场的日变化的综合变化。在地磁场的年变中，也没有均匀的变化分布，主要是通过季节来表现变化，其中夏季发生的变化最大，冬季发生的改变最小，所以地磁场的年变化也可以叫做地磁场的季变化。
三、磁暴现象出现的原因
太阳耀斑的喷出物在磁层边缘形成激波，历经一天的时间，以1000 公里/秒的速度最终到达地球。形成激波还有太阳风高速流，这也增加了太阳风的压力，当激波经过地球的时候，磁层会出现突然压缩的情况，这就使得地球一侧的磁场得到了提高，磁流体波作为一种媒介将这种变化传到地面，地面磁场就开始迅速增强，这就是磁暴最开始的表现。在这个过程结束后，磁层又开始被压缩，过程激烈的时候，同步轨道里会出现磁层顶。这时候的磁层内会出现对流电场增强、等离子体层收缩的情况，若是收缩过程比较剧烈，离地面2～3个地球半径的地方就可以发现等离子体层顶。在激波之后如果太阳风的参数相对均匀，那么在急始之后会出现磁层保持相对稳定的被压缩状态。这就是磁暴初相。
磁暴期间，磁层中最有特点的现象是磁层环电流粒子会逐渐地增多。磁层内的磁赤道面距离地心2～10个地球半径的范围，大概在4个地球半径之内，四处分布着能量从几十到几十万电子伏的质子，这些质子就是环电流粒子，通过向西漂流在地磁场中形成西向环电流，也被称为磁层环电流，该电流大概有106安的强度。磁层平静时也会出现磁层环电流。在磁暴的主相期间，环电流区注入了大量的从磁尾等离子体片来的低能质子，大大增加了环电流幅度。这些被提高的环电流通过地面的磁效应就造成了H分量的降低，质子每注入一次，H就下降一次，这个过程被称为亚暴，磁暴主相表现是很多连续的亚暴发生的结果。环电流粒子的总能量与其幅度成正比。一次典型的磁暴中，大概有100nt时的磁暴幅度，4×1015焦耳的环电流粒子能量。从这些数据我们可以发现磁暴期间磁层扰动时产生的剧烈情况。
在磁层亚暴期间注入的粒子会绕地球运动，向西漂移，没有在主相期间完成漂流的电流环，在这时总是呈非轴对称的，在黄昏的时候某一侧会显得更强些。除此之外，亚暴发生期间还会有伯克兰电流体系情况出现，其呈现的也是非轴对称，磁效应还能发生在中低纬度地区，只是因为距离相差较远，对比起极光带来说还远远不够多。主相环电流与该体系的非轴对称部分的地磁效应结合在一起就是DS 场。因为粒子受磁层波的散射作用，以及交换粒子之后的电荷反应，环电流粒子会不断消失。在亚暴活动结束后，环电流不再有粒子供给，环电流强度也会逐渐削弱，开始进入磁暴恢复相。
四、结束语
综上所述，通过对地球磁场的变化及磁暴现象的原因进行分析，叙述了地球磁场的概念以及磁暴的概念，再通过对地球磁场的变化分别进行长期变化和短期变化两个方面来进行分析了解，得出了地球磁场的变化的发生原因。最后讲述了磁暴产生的原因，了解了磁暴在初相期间、亚暴期间、主相期间分别会出现的现象以及持续时间。通过对以上的分析了解，我们可以得知地球磁场的变化及磁暴现象与人们的生活有息息相关的影响，对其分析研究可以帮助人们更好的规避灾害。
■作者/罗开奇，福建省地震局泉州基准地震台，本文来自《科技创新与应用》（2017年32期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。