在磁日变观测中, 测量仪器观测到的由太阳黑子引起的无规律的磁场变化称磁扰。十分强烈的磁扰现象称磁暴。除磁暴日外, 磁扰的大小与时间和空间具有一定的关系。据有关资料^[1], 太阳活动周期约为11 年, 1989~1990、2000~2001、2011~2012年为太阳活动高峰年, 而2022~2023年应该是又一个太阳活动高峰年, 高峰年地球磁场受极端太阳风影响会产生剧烈波动, 磁扰活动相对较强; 通常在一年的时间范围内, 夏季和冬季磁扰强度相对较强, 春季和秋季磁扰相对较弱。对于同一地点, 在一天时间范围内, 一般白天磁扰相对较强, 夜间磁扰相对较弱, 而在同一时间点, 一般东部地区磁扰相对较强, 西部相对较弱(比如在同一时间, 湖北大冶磁扰动大于贵州黄平的磁扰动幅度, 见图1), 在北半球的南部地区磁扰相对较强, 北部地区磁扰相对较弱。

图1

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	图1 不同测区小微磁扰的日变曲线特征 a— 为贵州黄平(蓝色曲线)与湖北大冶(绿色曲线)测区小波长磁扰的磁日变对比(2014年10月3日); b— 为贵州黄平(蓝色曲线)与山西运城(绿色曲线)的微波长磁扰的磁日变对比(2015年04月11日)

根据航磁测量磁日变观测的需要, 可将磁扰曲线特征类型划分为长波长磁扰(磁扰周期大于30 min异常, 如图1中a~b点磁扰上升段)、中等波长磁扰(磁扰周期小于30 min, 大于10 min, 如图1中c~d点)、短波长磁扰(磁扰周期小于10 min, 大于1 min, 如图1中e~f点), 以及微小波长磁扰(小于1 min, 如图2中g~h点之间的曲线抖动)等4种。对于长波长、中等波长的磁扰, 由于其特征与其他干扰有明显区别, 在此不作评述。而短波长和微小波长的磁扰与外界人文干扰在异常特征上有时很难区分, 必须通过对比分析才能加以识别。

图2

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	图2 磁扰日变曲线特征

针对磁日变小波长或微小波长曲线的扰动问题, 以往多数人认为是外界干扰, 而非磁扰, 造成野外施工人员寻找磁日变点较为困难, 浪费了大量了人力和时间。经过多地磁日变对比, 如贵州黄平与湖北大冶、贵州黄平与山西运城两地24 h磁日变同步观测对比, 两地均存在磁日变小波长(图1a中的A部位)或微小波长(图1b中的B部位)曲线的扰动问题, 而且两地扰动曲线基本同步且形态类似, 只是幅度有所不同, 因此证明了磁日变小波长曲线的扰动为日磁扰。

高速等离子体云从太阳日冕抛射出来, 相对背景太阳风速度更高, 携带着日冕磁场冲击地球磁层, 使磁层压缩变形。并且它通常携带南北方向转动的磁场, 当磁场转为南向和地磁场相互作用时, 太阳风会将巨大的能量倾泄到磁尾的大尺度空间中, 使磁尾等离子体片中大量的带电粒子注入到环电流中, 使环电流强度发生变化, 而变化的电流会产生变化的磁场, 从而引起全球范围剧烈的地磁扰动— — 地磁暴。地磁暴发生时, 这种全球性的剧烈扰动会在整个磁层持续十几个小时到几十个小时, 所有地磁要素都发生剧烈变化。其中地磁水平分量H变化最大, 其扰动幅度通常在几十到几百nT之间, 最能代表磁暴过程特点。典型磁暴的发展过程通常可分为3个阶段:初相, 即磁暴开始之后, 在全球各经度上, 地磁水平分量在高于暴前值的水平上起伏变化, 持续时间为几十分钟到几个小时; 主相, 即初相结束后, H分量突然下降, 半小时至数小时之内下降到极小值, 称为“ 主相” , 主相是磁暴的主要特点, 磁暴的大小就是用主相阶段H分量下降最低点的幅度来衡量, 一般磁暴H分量下降为几十到几百nT, 个别大磁暴可超过1 000 nT; 恢复相, 即主相之后, H分量逐渐向暴前水平恢复, 在此期间, 磁场仍有扰动起伏, 但总扰动强度逐渐减弱, 一般需要2~3天才能完全恢复平静状态。

在磁暴发生前的几天内, 在磁日变仪器上通常表现为小波长磁扰和中等波长磁扰曲线的增多, 强度逐渐增大, 有时会出现3 min变化幅度超过5 nT的情况。在磁暴日, 打开磁日变仪器时, 有时磁场基值会比平时增高几十 nT, 一天内会出现多次3 min磁场变化幅度超过5 nT的情况(图3中的a、b部位)。磁暴发生后, 磁日变曲线磁扰频率或强度会逐渐降低。

图3

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	图3 新疆东三县观测的磁日暴曲线特征

地面磁日变站的磁干扰曲线包括人文活动磁干扰, 电磁干扰、高压动力线干扰等。

1)人文活动磁干扰包括携带磁性物体的人、汽车等的磁日变曲线特征。携带磁性物体的人走进磁探头时, 通常异常曲线呈梯度较陡、幅度各异的尖峰状异常。汽车一般距离磁探头相对较远, 通常移动的汽车呈台阶状曲线特征。

2)雷电对磁日变的干扰。雷电对磁日变曲线的影响较大, 通常表现为幅度很大、梯度陡的窄波长尖峰状(图4中a、b部位), 异常幅度随着雷电距离的长短从几至几十 nT, 通常为间歇状的异常群出现。

图4

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	图4 黔东地区雷电引起的磁日变曲线特征

3)高压动力线磁干扰曲线特征:一般民用普通输电线对磁日变曲线影响不大, 只要保持一定的距离(通常20 m)即可。对于高塔式高压输电线, 尤其是直流高压输电线影响范围加大, 有时500 m的范围内也会影响磁日变曲线的基值, 增加磁日变曲线的扰动。

4)外界电源窜入的极小波长磁干扰:有时由于各种原因, 磁日变曲线会传入外界电源的干扰, 通常表现为规律变化的正弦波。遇到此种情况, 可立刻关闭外接电源, 使用自带电瓶供电, 若该“ 正弦波” 消失, 证明是外界电源传入的磁干扰。

5)其他电磁干扰:电视发射塔和雷达站对磁日变曲线的影响较大, 通常表现为无规律变化、具有一定幅度, 并持续出现尖刺。在选择磁日变站时, 应尽量远离电视发射塔等设施。

仪器有时受外界因素的影响, 比如天气过热、潮湿等, 会出现阵发性的、正负跳跃的、波长变化大、不规则的尖峰或尖刺(图5a的A、B区域)。有时也会体现在仪器噪声水平增加, 或出现波长极短, 频率较高的小微正弦波(图5b的A区域)。确定仪器原因引起磁干扰的方法是:当磁日变曲线出现“ 锯齿状异” 时, 若关机后重新开启磁日变站仪器, “ 锯齿状异常” 现象消失, 或采用两台磁日变站仪器同时观测, 出现故障的仪器有“ 锯齿状异常” , 而另一台没有此种现象。值得说明的是, 若此种现象出现频率逐渐增多, 则是地面磁日变站系统出现故障的前兆。

图5

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	图5 黔东地区磁日变站仪器不稳定引起的曲线畸变 a— 为贵州江口寨抱村仪器不稳定引起的大范围磁日变曲线畸变(2015年7月12日); b— 为贵州江口寨抱村仪器不稳定引起的小正弦波磁日变曲线畸变或噪声水平增大