大地电磁场的一般性质
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发布时间：2022-04-22 05:42
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时间：2024-04-11 00:04
大地电场与地球变化磁场密切相关（克拉耶夫 A Π，1955；孙振江，王华俊，1984；石应骏等，1985；朴化荣，1990；陈乐寿，王光锷，1990），两者的场源都是来自地球外部的各种电流体系，因而具有相同类型的变化。这种变化的电场和磁场统称为大地电磁场。这里我们将通过大地电场的讨论，来了解大地电磁场的一般性质。大地电场的变化可分为两大类，一类是地电场的平静变化，另一类是地电场的干扰变化。平静变化是连续出现的，具有确定的周期性。平静变化有多种周期性，其中变化周期为11 a的，与太阳黑子出现的周期相同；有年变化周期，与太阳公转周期相同，并与季度变化有关，夏季场强幅度大，冬季场强幅度小；有月变化周期，与月球绕地球的周期相同；有静日地电日变化，与地球自转周期相同。以上最重要的是静日地电日变化。干扰变化是偶然发生的，它有高频地电变化，周期为10-4～1 s；有地电脉动，周期为0.2～1000 s；有地电湾扰，无周期，持续时间为1～3 h；有扰日地电日变化，周期为1 d；有地电暴，变化持续的时间为1～3 d。另外，大地电场不仅幅度随时间变化，方向也是不断改变的。在某段时间内，如果将在南北和东西两个方向测得的电场之合成矢量端点连成一条曲线，如图1-2-1所示，当该曲线近似成一条直线时，则称为线性极化；不规则时称为非线性极化。
图1-2-1 大地电场的极化
（一）地电日变化
静日地电日变化和扰日地电日变化具有相同的周期，二者叠加在一起构成的地电变化称为地电日变化。地电日变化的场源是分布在电离层中的电流系，其中静日地电日变化的电流系主要分布在中、低纬度区的上空，高度为100 km。地电日变化形态和幅度如图1-2-2所示，其幅度主要随着纬度的改变而变化。
利用世界各个地电台站上的同一时刻的大地电流观测值，可以绘出大地电场或大地电流在地面上的分布。图1-2-3是O.Gish等，利用世界时18时的全球资料编制的大地电流分布图。由于全球地电台站的数目太少，且分布不均匀南半球主要是海洋，所以此图只能给出大地电流分布的一个概貌。由图可见，南半球和北半球各有8个涡旋电流（南半球只画出4个），地球赤道是这些涡旋电流的近似对称面。赤道两侧的8个涡旋电流与静日地电变化相对应，白天电流强，夜间电流弱。高纬度处的涡旋电流与扰日地电变化相对应。地电日变化的整个过程有两次起伏，变化的平均幅度约为10 mV·km-1。
（二）地电微变化
由于高频地电变化幅度比较小，所以常称为地电微变化，其频率如图1-2-4所示。E和H分别表示电场和磁场，二者频谱是一一对应的。从图中可以清楚地看出变化幅度与变化频率的关系：在1 Hz附近，幅度最小；高于或低于这个频率，变化幅度增大，并且在一些频段上幅度具有极值。
图1-2-2 地电场与地磁场的日变化对照图
由雷电引起的高频地电变化的频率为1～104 Hz。按无线电波划分，这是低频（ELF）。地电脉动P的频率为10-3～1 Hz，其中又可分为许多小频段。频率10-4～10-3 Hz的变化已经是地电湾扰了。
1.高频地电变化
有一种局部的天电系统称为雷暴系统，主要产生于赤道上空约8 km处，它产生的电磁噪音的影响几乎遍及全球。雷暴的数目在时间上也有一定的统计规律，通常最大值出现在世界时20点左右，最小值在04点左右。这种时间规律与阳光照射的地表性质有关。世界时20点左右，阳光直射到太平洋上，海水的蒸发作用最大，大气的对流最激烈，同时赤道两侧的地下电流也最强。这时，水蒸气所携带的不同电性的粒子最多，电荷的积累与释放作用也就最强烈，所以雷电暴的数目也就最多。相反，当世界时04点时，太阳直射于干燥的非洲，水蒸气最少，因此雷电的数目也最少。雷电的数目还有一对次极大和次极小，分别出现在10点和02点左右。图1-2-5是利用极距为1 km的电极记录到的雷电信号，频率为8 Hz的地电变化明显可见。所记录的低空闪电产生的电磁噪声的频谱与闪电的距离有密切关系。
图1-2-3 世界时18时的全球大地电流分布图
图1-2-4 短周期电磁脉动频谱图
闪电产生的电磁脉冲示于图1-2-6，当距离很近时，单个闪电产生单个脉冲（a）。当距离很远时，由于电磁波的反射，单个闪电可以产生多个脉冲（b）。图中还附有多个雷暴对应多个脉冲的例子（c）。
图1-2-5 雷电信号记录图
2.地电脉动
太阳辐射的带电粒子一方面绕着地磁场的磁力线运动，另一方面还沿着磁力线的方向在两极之间往返振荡，带电粒子的这种运动所产生的电磁效应是电磁脉动的场源。地电脉动和地磁脉动具有相同的周期和成因，其周期为0.2～1000 s。根据脉动形态又分为规则脉动Pc型和不规则脉动Pi型。Pc型脉动的幅度较稳定，形态较规则，其持续时间从几分钟到8 h不等。Pi型脉动幅度不稳定，形态不规则，持续时间一般为10 min左右。电磁脉动主要是高纬度地区的电磁现象，夜间出现较多，季节变化复杂。在地电学研究中，电磁脉动占有重要地位。
（三）地电湾扰
由太阳辐射产生的高速太阳风（带电粒子流），在电磁场作用下，在高度约为300 km的极区电离层形成电流系，并在距离地心约5～7个地球半径的远处形成一个赤道电流环，它们分别是地电湾扰和地电暴的场源。地电湾扰是具有形态规则而无周期的电磁扰动，形如湾扰故得名。一般在高纬度地区湾扰幅度较大。
（四）地电暴
地电暴和地磁暴几乎在全球同时发生，在地磁赤道处变化幅度最大、持续时间可长达1～3 d。随着纬度升高变化幅度逐渐减小。它与太阳活动有关，在电磁暴过程中往往叠加着电磁湾扰和电磁脉动，因此电磁暴的形态十分复杂。
关于大地电磁场的起源问题虽然目前研究的还不够充分。但是，多数人认为它是一种宇宙现象。根据这一认识，天然电磁场源是由太阳微粒辐射（太阳风）作用下形成的地球磁层和电离层的变化。太阳风的微粒辐射流具有相当高的导电能力，所以地球的正常偶极磁场不能穿过它而受到畸变（见图1-2-7）。在导电的电离层中形成很强且变化迅速的电流。这些电流主要集中在靠近地极70°纬度带附近，即大地电磁场的场源位于100km左右的高空处，在地球表面上的有限区域内可视为似平面波。这种平面电磁波在铅直方向上穿透地层过程中，在导电地层内激发出涡旋电流，其传播深度主要依赖于振动频率或者场的变化周期。
图1-2-6 闪电产生的电磁脉冲
