地电暴与磁暴的对比研究

基金项目：福建省地震局科技基金专项（SF202007）

作者简介：赖加成（1974-），男，工程师。研究方向为地震监测。

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

摘  要：为了加深地电暴与磁暴的认知，需要全面加强地电暴与磁暴之间的对比分析。通过针对地电暴与磁暴开展识别分析与统计，并全面加强地磁场与地电场数据的相关性分析，通过对相同地区不同台站的相关记录进行对比，可以在一定程度上了解地电暴与磁暴之间的差异性。结果表明，即便台站地磁场在同一磁暴中出现的变幅基本相同，但是地电场对应的测项其最大变幅则存在相对较大差异性。这说明地电暴与磁暴有着对应关系，磁暴中的地磁场水平分量将会出现明显变化，正是因为地电暴、磁暴两者之间具有强对应关系，所以要通过地电暴与磁暴的对比进行研究，可以进一步加深对于地电暴与磁暴的认知。

关键词：地电暴；磁暴；地电场；地磁场；相关性分析

中图分类号：P318      文献标志码：A          文章编号：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

通过开展地电暴与磁暴统计分析，可以在相关性分析的基础上了解地电暴与磁暴之间的关系，地电场与地磁场作为固有物理场，两者之间的结合可以为人们开展地球电磁环境研究提供非常多的助力。因此，有必要对地电暴与磁暴之间的对比进行研究分析，以此来让地电暴与磁暴研究成果变得更好。

1  地电暴与磁暴发展脉络

地电场与地磁场作为固有物理场，可以共同组成地球电磁学，根据场源差异，可以将地电场划分为自然电场与大地电场。其中大地电场具有广域性，自然电场则将会从地下场源诞生，是由地下介质电性结构以及各种物理、化学性质改变所引发的局部性电场变化。自然电场通常有着非常明显的地域性特征。结合场源差异性，可以把地磁场划分为内、外源场两大类。外源场作为变化磁场，一般会在电离层与磁层中均匀分布。内源场主要为地表下磁性物质与电流，能分为地核、地壳与感应场3类[1]。

空间环境的扰动性往往能够在地电场、地磁场中呈现出具有差异性的反映形态，而且在扰动达到一定量级后还会导致磁暴现象的出现。地电学中的磁暴可以用地电暴来进行表示。學界对磁暴以及地电暴进行研究分析，如今已经经历了从磁暴、地电暴的单一性研究到综合性研究的变化与发展，磁暴研究时间与研究技术的成就要优于地电暴，通过在研究层面不断加强内容拓展，并逐渐提高研究深度，就需要借助综合性研究结果来加强两者之间的对比。通过分析磁暴过程中的磁场变化以及与地电场之间的联系，可以发现磁暴阶段的H分量变化率与地电场动向分量观测数据信息存在显著相关性。学者孙军嵩等针对国内11个地电场台站进行了磁静日与磁扰日的观测，并在观测中分析地下介质均匀性以及空间电磁活动特征和差异性，可以有效了解地电扰动指数，并分析相关指数在地球磁环境的监测与管理，必要时还可以用作科学分析，并分析地电场的观测情况。需要注意的是，因为我国学界对于地电暴与磁暴之间的综合对比研究相对较少，所以要结合地区磁暴与地电暴之间的参数对比，进一步提高地电暴与磁暴分析效果。

2  磁暴与地电暴分析

磁暴作为一种全球性地磁扰动现象，是一种非常重要的磁扰变化形式。磁暴概念代表着由非正常磁场变化，所引发的一种现象，而且磁场还具有全球同步发生性，在实践阶段利用相关定义无法直观甄别磁暴。需要注意的是，在磁暴过程中，磁场水平分量H会出现突然提高的情况，突然增加将会带来正脉冲变化，而且正脉冲变化最大幅度可以达到50 nT（常规磁暴10～20 nT），磁暴带有初相（磁暴开始后，H分量将保持高于磁暴分量的参数水平，并不断发生起伏变化）、主相（初相结束，磁场将会在短时间内显著下滑，并在几小时内逐渐下降到最小值，磁场变化还将伴随激烈起伏变化的出现）、恢复相（主相结束后，磁场将会逐渐向着磁暴前的水平参数进行恢复，此时依然存在起伏变化，而且起伏变化将会在2～3 d内逐渐恢复）[2]。

地磁K指数普遍大于5，学界能够结合地磁K指数来完成磁暴分类分析，K指数在5，6、7，8、9时，分别为中常磁暴、中烈磁暴、强烈磁暴。中低纬度的测站可以借助Dx指数进行深度分析，这个指数需要每小时开展一次量测作业，通过在检测期间不断分析地磁水平分量的强度变化与发展，将会在引发磁赤道周围的磁场强度变化的同时对环型电流造成影响，借助Dx指数能够实现对环型电流变化量参数的分析，该指数在应用阶段能够有效完成对环电流扰动场强度的描述。在磁暴中，地磁H分量往往有着相对较为突出的表现，磁暴多数形态学、统计学特征，都可以由中低纬度H分量变化来表述。

地电暴属于磁暴阶段、磁暴同步地电场水平变化下的产物，从定义出发，地电暴、磁暴具有一定的对应联系，磁暴地磁场H分量变化较为明显。而且因为地电场观测量属于水平分量，所以两者还具备较好的对应联系。在地电暴识别中，当地磁指数大于5时，可以基本明确地电暴出现，但是磁暴却不能直接以这种方式来鉴定认定，很多情况下将会导致结果质量受到影响。需要注意的是，地电暴识别应该以磁暴发生为核心，即没有磁暴发生的情况，地电暴同样并不会出现。

3  台站情况与观测数据分析

在开展地电暴与磁暴对比时，为了让对比结果精度变得更高，就应该结合台站的地磁记录来辅助加强数据分析，只有从多个维度以数据信息为基础来全面加强地电暴与磁暴研究，才能让地电暴与磁暴分析效果变得更好。

3.1  台站分析

本次分析选取了某市范围内A、B、C 3个台站，以3个台站为基础，可以通过分析地磁相对记录与地电场观测数据来实现对地电暴与磁暴情况的分析。

其中A台站坐标为东经117.400°，北纬39.698°，海拔高程2.5 m。地电场需要始终按照多方向、多极距观测方式来研究，L型布极方式，NS向、EW向长极距为400 m，短极距参数为长极距的一半，200 m。观测中可以通过斜边观测来提高观测精度，电极埋设深度为10 m。在工程项目中，布极的中心位置距离台站之间的距离为900 m，可以通过地电场仪、地磁相对记录仪等设备来实现动态性观测。A台站的东侧位置与南侧位置均设置有食用菌厂，由于东侧区域的食用菌厂曾经出现火灾，因此东侧食用菌厂已经停业[3]。而南侧区域的食用菌厂，则因为部分电气设备在室外，所以很多电气设备会因为风吹雨淋而导致越发破旧，严重时还将存在漏电危险。只有结合A台站附近的实际情况，全面加强数据分析，才能让地电暴与磁暴对比工作的开展变得更加顺利。

B台站位于国内某村庄，其地理坐标为东经116.858°，北纬38.942°，海拔高程为3.0 m。地电场在分析期间同样要按照多方向、多极距的观测方法来加强地电场分析。B台站的布极方式以及NS向、EW向长、短极距均相同，在开展观测活动时，为了最大化观测结果精度，需要通过斜边观测来辅助观测工作的开展，电极埋深为10 m，布极中心点位置距离台站有150 m。在地电场仪器的基础之上，所采用的观测设备为GM-4磁通门磁力仪。台站附近有工厂，工厂在运行中发出的游散电流，能够在一定程度上对地磁、地电场观测结果造成一定影响。

C台站地理坐标为东经117.192°，北纬38.660°，海拔高程参数为3.8 m。為了最大限度提高观测结果精度，地电场需要通过多方向多极距观测，布极方式、NS向、EW向长、短极距与A、B 2个台站相同。观测期间需要利用斜边观测来保障观测效果，观测阶段还需要对电极埋深进行控制，电极埋深参数为3 m，布极中心点距离台站约有140 m。随着C台站周边地区经济体系的高速发展，C台站附近的民营企业数量将会与日俱增，而且因为测区外界不远位置处，已经呈现出了多个小型工厂林立的发展趋势，所以外界工厂对于C台站测量结果的精确程度具有一定程度的负面影响，而且测量结果的影响因素也将逐渐变得越发严重。

3.2  磁暴与地电暴观测数据分析

磁暴具有急始磁暴与缓始磁暴2种类型，与磁暴对应的地电暴，同样具有急始地电暴与缓始地电暴的差别。通常情况下，急始磁暴在观测阶段非常容易把握磁暴起始时间，而且初相、主相以及恢复相同样能够在急始磁暴下快速掌握。所以在分析阶段，应该以急始磁暴初相、主相与恢复相来加强分析与管理，并通过对急始地电暴的对应阶段进行分析，以此来达到提高观测结果精确度的目的。相较于急始磁暴与急始地电暴而言，缓始磁暴与缓始地电暴在实际观测中，不仅观测难度会更高，观测结果的精度也将受限。所以在开展磁暴与地电暴数据观测时，需要以急始磁暴与急始地电暴为核心，以此来达到提高数据分析结果精度的目的。通过对近些年的多次急始磁暴与急始地电暴进行数据分析与对比，以此来提高对比结果的精确度。除此之外，为了进一步增加数据结果精度，还需要严格按照北京时间来加强数据分析，只有这样才能让地电暴与磁暴数据结果之间对比效果变得更好[4]。

3.3  地电暴与磁暴观测数据变化特征

3.3.1  磁暴变化特征

在磁暴与地电暴对比期间，通过分析不同台站记录的磁暴变化情况与特征，可以在提高磁暴观测结果精度的同时，避免因为磁暴结果质量问题而影响到分析对比结果。通过对A台站的磁暴数据信息进行分析，可以发现A台站遇到的磁暴具有以下明显特征：第一，在A台站出现磁暴时，磁暴分量将会出现非常明显的变化，通过分析各个参数的变化情况，可以发现磁暴下的磁场水平分量H变化带来的影响相对更加明显。第二，A台站磁暴阶段的初相、主相及恢复相相对比较完整，而且初相从磁场角度进行水平分量H观测曲线，将会呈现出正脉冲变化的情况，整个磁暴体系将会在1 d内结束，磁暴一般会持续2～3 d。第三，磁暴存在初相、主相及恢复相，主相后的磁场将会逐渐向磁暴出现前的水平，来实现持续缓慢恢复，恢复阶段存在起伏变化，一般磁场能够在2～3 d内，完全恢复平静期。第四，K指数多数都能超过5，即绝大多数磁暴为中常磁暴、中烈磁暴与强烈磁暴3大类。第五，Dx≤-30 nT，即在中低纬度测站所获取的地磁指数为-30 nT。为了让地磁指数在实际应用中获得最佳效果，需要每间隔1 h、，针对地磁指数进行一次量测，地磁指数在测量期间，能够充分了解地磁水平强度变化。尤其是磁赤道附近磁场强度，更是会在环型电流的影响下发生改变，因此要利用地磁指数观测值，来完成对环型电流变化情况的分析。除此之外，地磁指数还可以完成对环电流扰动场DR强度的描述，所以需要借助地磁指数来明确环电流强度值。

通常情况下，磁暴大小要联系主相最低点幅度变化进行分析，分析阶段可以将主相幅度视为磁暴起始点与主相最低点位之间的地磁H分量变幅。初相变幅、磁暴阶段数据变幅最大值，能够在一定程度上直观表现出磁暴特征。因此在对测区磁暴变化特征开展针对性统计分析期间，必须适当借助初相、主相变幅与最大变幅来完成综合分析。只有从A、B、C多个台站的地磁H分量变化开展分析，才能让最终统计分析结果精度得到进一步提高。

分析不同台站磁暴初相、主相及最大变幅，可以发现3个区域在磁暴H分量的变化中，并不存在明显差异性。通过从微观层面进行综合分析，在面对磁暴问题时，无论是初相、主相变幅还是最大变化，都会呈现出A台站小于B台站小于C台站的发展趋势，这是因为3个台站的维度存在差异性，3个台站虽然在维度层面比较接近，但却具有微小差异，微小差异反映到最终结果时，就将导致最终观测结果出现变化。需要注意的是，磁暴变幅与地磁K指数之间存在关联性，一般情况下，随着地磁K指数的增加，磁暴主相变幅与最大变幅将会随之增加[5]。但个别情况下却存在例外，即在地磁指数具有一致性的情况下，地磁场H分量变幅有时会增加，有时会缩小，这意味着磁暴变幅与地磁K指数之间并不是简单的正比例关系。

3.3.2  地电暴变化特征

通过对地电暴数据信息开展跟踪分析，可以发现地电暴呈现出的情况为地电场数据剧烈波动，大幅波动的数据，不仅会在地电场EW向上有所反馈，还将会在NS以及斜边观测中表现出来。无论是长极距还是短极距都存在大幅变化的情况。通常情况下，地电暴突然性变化将会在磁暴初相阶段出现，而且强度与磁暴急始程度之间具有非常紧密的关联性。随着急始程度的增加，突跳变化受到的影响将会增加。通过对磁暴主相进行分析，同样可以发现比较明显的变化问题，特别是在地磁H分量快速下降的情况下，波动变化将会变得更加严重，通过对地磁恢复相情况的分析，可以发现随着恢复相的延长，地电场的变化频率呈现下降趋势，恢复相后期甚至会逐渐趋于平缓，在解决地电暴时间终点时，波动变化最小。在整个地电暴过程中，数据出现大频率波动变化是核心特征，这种波动因为整体幅度偏大所以将会对正常日变造成影响，所以可以将该波动变化视为衡量地电暴情况的核心指标之一。

通过对磁暴及地电暴进行分析可以发现3个台站的地电场在反映地电暴时存在明显的幅度问题，而磁暴幅度则会更加平缓，通过地电暴的特征可以发现，地电场通常容易受到来自地下电性结构变化所带来的负面影响，而且这种影响还能够在一定程度上变成导致地电场变化的主要因素。磁暴阶段地电场变幅、地磁指数具有关联性，地磁指数在增加之后，地电场变化将会随之增加。但是在个别情况下，随着地磁指数的变化，地电场变幅有时会出现明显差异，这代表了地电暴变幅与地磁K指数并不只是正比例关系。

3.3.3  磁暴与地电暴分析

在地球电磁感应理论下，若地区小于源场尺度，就要将源场视为均匀平面电磁波。地电场南北向分量通常会和磁场东向分量时间变化产生对应联系。而地电场东西向分量，则会与北向分量时间变化对应。在磁暴出现后，地磁各大要素将会发生显著改变，而水平分量H的变化参数最大，因此可以开展磁暴与地电暴时的H分量与EW向关联性分析。

针对相同台站磁暴时的磁场、地电场对比至关重要，在电磁分析期间，地电场与磁场有着一阶差分，因此要结合磁场H分量变化情况来开展相关性分析，通过开展相关性分析可以直观发现地电暴、磁暴的关联性。在分析磁場H分量变化率时，在记录地磁H分量分钟值后，需要将后1分钟数据与前1分钟数据相减（即第2分钟数据减第1分钟数据），通过规范性分析可以直接形成序列。以数据为核心可以实现对同台站地电场NS向与EW向观测数据的相关性分析，进而获取精度较高的相关系数。通过相关性分析可以发现，不同台站在磁暴期间，磁场变化率与地电场相关性存在明显差异，3个台站之间的主要差别，应该与布极区地下介质电性结构之间存在直接关系，磁暴期间的磁场变化率与地电场EW向具有较好的相关性，磁场变化率与NS向之间的相关性比较差[6]。

4  结论

总而言之，磁暴在地磁H分量上具有明显表现且具有完整初相、主相与恢复相，而磁暴期间不同台站的地电场却在变幅上有显著差异。绝大多数情况下，地磁K指数的增加将会导致主相变幅、最大变幅随之提高，个别情况下存在差异性，而且不同台站磁场变化率还和地电场相关性存在差异。磁暴时磁场变化率与地电场EW向相关性更好。

参考文献：

[1] 倪政泽.磁暴感应地电场数据处理及数据库设计及实现[D].北京：华北电力大学，2022.

[2] 王泽忠，司远，刘连光.考虑地下各向异性介质的磁暴感应地电场研究[J].电工技术学报，2022，37（5）：1070-1077，1114.

[3] 王如坤，赵凯，冯丹丹，等.磁暴期电离层离子上行能通量的统计关系研究[J].空间科学学报，2022，42（1）：51-64.

[4] 尹天杰，孙亮亮，李章，等.安徽地电场台站地电暴特征浅析[J].科技资讯，2021，19（9）：104-106.

[5] 周卫东，牛延平，田野，等.电磁卫星地面对比观测原型系统地电场观测资料特征分析[J].地震工程学报，2020，42（6）：1517-1522.

[6] 张彩艳，雷功明，赵月梅，等.甘肃嘉峪关、瓜州地电场日变化与地电暴差异机理分析[J].地震工程学报，2020，42（3）：671-679.