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第三章 地球空间中的磁场和电场3.1 空间磁场近地空间磁场，大致像一个均匀磁化球的磁场，它延伸到地球周围很远的空间。在太阳风的作用下，地球磁场位形改变，向阳面被压缩，背阳面向后伸长到很远的地方。地磁场存在的空间就是磁层。磁层处于行星际磁场的包围之中，并受其控制。地球磁层以内的空间磁场和太阳与地球之间的行星际磁场是本章描述的内容。近地空间磁场是地球空间环境的重要参量之一。空间磁场对地球空间环境的影响主要表现在两个方面：对带电粒子运动的影响和对电磁波传播的影响。在宇航工程应用方面，对航天器的主要影响是作用在航天器上的磁干扰力矩，它会改变航天器的姿态。当航天器有剩余磁矩或有包围一定面积的回路电流时，会受到磁力矩的作用而改变姿态；具有导电回路的自旋卫星在磁场中旋转时，回路中会产生感应电流，地磁场对感应电流的作用会使卫星消旋。在低地球轨道，由于磁场较强，磁干扰力矩有时可与大气动力矩及重力梯度力矩相比，往往不可忽视。但是，磁性物质或电流回路在地磁场中受到磁干扰力矩的原理对于宇航工程也有有利的一面，它使我们可以用来控制航天器姿态。此外，在几个地球半径以内，磁场方向几乎是一定的，因此可以用它来定向。火箭和各种航天器上安装磁强计，利用地磁场方向确定姿态已经有几十年的历史。磁层中大部分气体处于电离状态，地球空间磁场及其扰动对电离气体的分布及其行为常常有决定性影响并起控制作用。例如，等离子体的分区边界几乎都是磁力线相重合的。大气、宇宙线、太阳质子、辐射带、空间等离子体等重要航天环境参量均有明显的磁暴或亚暴效应。磁暴发生期间，人造卫星工作异常事件明显增多，磁暴还会使供电系统的电压和频率发生偏离，造成供电系统工作异常，在极端情况下地磁感应电流会导致供电中断；磁暴还会使电离层电子浓度变化并引起无线通信中断。磁场的变化灵敏地反映近地空间环境的变化，它是近地空间环境状态的重要指标。行星际磁场虽然很小，但对整个磁层状态起控制作用。因此，航天器的设计过程中，空间磁场环境是必须考虑的重要因素。3.1.1 地球空间磁场的表示、组成和源3.1.1.1地磁场要素和单位 地球空间磁场是一个向量场，任一点的磁场需要三个独立分量描述。用来确定某一点磁场的各独立分量称为地磁要素，它们是F、X、Y、Z、H、D和I，图3.1示出上述七个量及其关系。采用局地直角坐标系，地理北、东、下三个方向分别为X、Y、Z轴的正方向。图中F 图3.1 地磁诸要素及其关系。是地磁场矢量，其大小是磁场总强度；H是水平分量矢量，它是F在当地的水平投影，其大小为水平强度；Z是垂直分量，其大小为垂直强度；D是磁偏角，它是水平分量与正北方向的夹角；I是磁倾角，它是H与F之间的夹角。它们之间有如下简单关系： 描述空间任意一点的磁场的三个独立分量有多种选择。（H，D，Z）；（F，I，D）和（X，Y，Z）是最通用的三个独立要素的组合。前两者可以更直观地表征磁场的方向和大小，而后者则在分析计算中更为方便。每个要素习惯上的正负号规定见上图，图中各要素方向全部是矢量和角的正方向。地磁场方向角的单位是度、分、秒；国际通用的磁场强度单位采用nT。1nT=10-9tesla，tesla（特斯勒）是国际单位制中的磁场单位。在广泛采用 MKS制之前，磁场大小通常用 oested（奥斯特，磁场强度）或 gauss（高斯，磁感应强度），因为地磁场在任何地方都小于1个奥斯特，所以频繁使用的是gamma（g，伽马）。这些单位之间的关系是：3.1.1.2 常用坐标系和单位3.1.1.2.1 地理坐标系该坐标系是相对地球固定的坐标系，原点在地心，坐标r，q，j分别是地心距、余纬（由地理北极起算）和经度（从格林尼治子午线起算，向东为正，经度超过 180“为西经），有时以赤道为纬度0，向南北与赤道面夹角分别为南北纬，向北为正，向南为负。3.1.1.2.2 偶极坐标系（dipole coordinates）它是以地心为原点的球面极坐标系，以过地球中心的偶极轴为极轴，与地球自旋轴的夹角为11.2。有时把偶极坐标系也称为地磁坐标系。该坐标系涉及到的一些概念定义如下：偶极赤道（dipole equator）：与中心偶极子垂直的大圆；偶极子午面：通过偶极子两极的大圆；偶极经度Lh（dipole longitude）：过地球表面一点的偶极子午面与过地理极的偶极子午面之间的夹角；偶极纬度lm（dipole latitude）一该点与地心连线与偶极赤道的夹角；偶极地方时（dipole time）地面一点在某一时刻的偶极地方为该点的偶极经度与当时日下点的偶极经度Lh之差t。，单位为小时；偶极正午（dipole noon）一若地球表面一点的t。为零，则该点与日下点处于同一子午面上，该点此刻为偶极正午；偶极子夜（dipole midnwht）tm-12时，该点与日下点的偶极经度相差 180，则该点此刻为偶极子夜。由于这一坐标系是以地磁场为基础的坐标系，所以地磁坐标常专指偶极坐标系，偶极经度、偶极纬度、偶极赤道、偶极时又称地磁经度、地磁纬度、地磁赤道和磁地方时。3.1.1.2.3 偏心偶极坐标系该坐标系是以偏心偶极子中心为原点，以偏心偶极子的偶极轴为极轴的球面极坐标系。3.1.1.2.4 地心-太阳黄道坐标系（Geocentric SolarEcliptic coordimate）该坐标系是又常称太阳黄道坐标系，简称GSE坐标系，以地心为原点的直角坐标系。Xse指向太阳，Zse轴垂直于黄道面，Yse轴与它们构成右手坐标系。3.1.1.2.5 地心太阳磁层坐标系（Geocentric SolarMagnetospheric coordimates）该坐标系是又常称为太阳磁层坐标系，简称GSM坐标系，以地心为原点的直角坐标系，Xsm轴指向太阳，Zsm轴在Xsm轴与地球磁偶极轴确定的平面内，与兄。轴垂直，Ysm轴与兄。轴和Zsm轴构成右手坐标系。3.1.1.2.6 太阳磁场坐标系（solar magnetic system of coordinates）它是以地心为原点的直角坐标系，Zmg轴平行于地磁偶极轴，Ymg与日地连线和偶极轴构成的平面垂直，Xmg轴在日地连线和偶极轴构成的平面内指向太阳。3.1.1.2.7 订正偶极坐标系（corrected dipole coordinates）该坐标系又叫“订正地磁坐标系”（corrected geomagnetic coordinaies），是以实际地磁场来订正（或改进）的坐标系。在研究沿磁力线传播的现象时很有用处。当用于研究极区现象时，地球表面任意一点的两个坐标是订正偶极经度（corrected dipole longitude）和订正偶极纬度（corrected dipole latitude）。它们定义为：从地面一点 Q出发的偶极子磁力线与赤道交于 A点，通过 A点的实际磁力线（包括非偶极场）又与地面交于Q点，Q的地理经纬度即为Q点的订正偶极经纬度。3.1.1.2.8 （L,B）磁坐标系辐射带粒子的运动状态和空间分布强烈地受地磁场控制，并随地磁场的变化而变化。因此，准确处理辐射带粒子观测资料的坐标系是（L,B）坐标系，其中为地磁场强度，以nT为单位；L为磁壳参量，以地球平均半径RE(6371.2km)为单位。在地磁场中心偶极子近似下，磁壳参量L值可近似为：式中L为通过所考虑的空间点的磁力线与地面交点的地磁纬度。在个地球半径范围内，由该式计算的L值的误差约为1%。精确计算L值需用精度较高的地磁场模式，具体计算方法如下（参见右图）：(1) 首先利用下文介绍的地磁场模式(IGRF)，计算给定的空间点A的磁场强度B：(2) 利用磁力线方程，计算通过A点的磁力线段AA，点A与A在同一条磁力线上但分别位于磁赤道面的两侧，并且满足B(A)=B(A)，如右图所示。式中(r,q,j)为地理坐标系；r,q,j分别为地心距离、经度和余纬；其中r=RE+h；q=90-l；h和l分别为高度和纬度；Br、Bq、Bj分别为地磁场矢量在地理坐标系中的三个分量，其平方和为地磁场总强度。(3) 计算通过 点的磁力线与磁赤道面交点O的磁场强度Bo：(L,B)磁坐标换算示意图 (4) 沿磁力线段AA，计算积分不变量：(5) 计算参量X和 V (6) 计算磁壳参量L：式中M地球磁场的偶极矩，其值为7.91030nTcm3。3.1.1.2.9 不变坐标系该坐标系为BL坐标系即（L,B）坐标系转换来的平面坐标系。它以地心为原点，离地心的径向距r和不变纬度f为它的两个坐标变量，空间一点 P的坐标中由该点的 L值确定：f=arccos(r/L)1/2，它们与参数L满足偶极子磁力线方程r=Lcos2f。3.1.1.2.10 VDH坐标系该坐标系为地球同步轨道卫星的磁场观测常用的坐标系，它的H轴反平行于地球磁偶极子轴；V轴平行于磁赤道面，沿地球径向向外；D轴为HV的方向。3.1.1.3 地球空间磁场的组成地球空间磁场由源于地球内部的内源场和源于地球上空的电流体系的外源场组成。内源场是地球空间磁场的主要部分，称为主磁场（习惯上称基本磁场），这部分磁场很稳定，只有缓慢的变化；外源场主要是变化磁场。它包括宁静变化场和扰动变化场，最快的周期性变化是每秒钟几十次，慢的几天或几年一次，有周日变化、季节变化、磁暴、磁亚暴和其他与太阳风有的不规则起伏以及太阳11年活动周引起的行星际介质长期变化有关的缓慢变化等。3.1.1.3.1 内源目前认为内源场主要是地球内熔化了的金属核流动引起的。这种流体运动，随时间有很缓慢的变化，从而引起主磁场的长期变化。液体金属核的涡旋运动产生大尺度的磁异常，也叫世界磁异常；地壳内的磁性物质的复杂分布产生了尺度较小的局部磁异常。3.1.1.3.2 外源外源场主要是由地面以上的电流系产生的磁场。其电流系包括磁层电流和电离层电流。图3.2 几种常用的坐标系。3.1.1.4 磁层电流磁层电流包括磁层顶电流、磁尾电流和环电流、部分环电流以及场向电流几个电流系。实际上，它们是彼此相互联系成闭合的电流体系。这些电流是太阳风与磁层相互作用产生的。分别叙述如下：1）磁层顶电流是太阳风与地球磁场作用形成的电流片。位于磁层磁场与行星际磁场的交界区域，也是磁层的外边界。在向日的一侧，磁层顶电流向东流动，即沿晨昏方向横越磁层的日下点（见图 ）。电流强度的变化依赖行星际磁场的方向和强度。磁层顶电流的磁场在磁层外抵消地球偶极磁场；在磁层内，加强了地球偶极磁场。这样的结果使得地面赤道磁场平均增加约 0.1%(30nT)；在磁层顶内紧靠顶的地方，磁场增加约100%，在磁层顶地心距为10RE时，那里的磁场增加 30nT；而当磁层顶被压缩至 8RE处时，磁场增加 60nT。 2）磁尾中性片电流是由等离子体片粒子定向运动形成的，它把磁尾分成磁场方向相反的两瓣。宁静时电流密度约550nAm-2。电流方向向西，即由晨侧越过磁尾流向昏侧，在磁层顶的尾部与磁层顶电流形成回路（参见图3.3）。中性片电流在地球方向有很陡的内边界。磁尾中性片的厚度为5005000km，距地球越近，中性片越厚。 3）环电流是在地心距 3 7RE处绕地球的由东向西方向流动的电流。它们是由地磁场捕获的低能质子维持的，其地球侧的内边界比较分明。环电流平静时位于254RE图3.3 磁层电流系。之间，磁暴时离地球稍远。磁暴时环电流大大增强，使低纬区磁场水平分量大幅度下降。磁平静时环电流总强度为105A量级，发生磁亚暴时可增强几倍。4）部分环电流是亚暴期间从等离子体片注入到辐射带的粒子漂移形成的。它产生了地面磁场变化的不对称性。5）场向电流是在地球高纬区上空沿磁力线流动的电流片，它们基本为沿极光椭圆的电流片，电流总体分为两区，极侧的称一区电流（见图3.4），基本流向是在晨侧流入电离层，昏侧流出电离层；靠近赤道一侧的称二区电流，其流向与一区相反。场向电流密度有明显的日变化。一区的最大值为1.52.5mAm-2，出现在日侧；二区的最大值为0.51.0mAm-2，出现在夜侧。大部分时间内，一区场向电流比二区大。电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。磁静日时，二区电流近乎消失；磁活动增强时两区电流均增强，且二区与一区电流之比值也有增强趋势。在磁亚暴时，夜测场向电流还会出现许多复杂形态。图3.4 在不同扰动条件下场向电流的分布和流向。上述磁层电流体系产生的磁场在地面和低高度的总场中占很小的比重，但随高度增加，它们所占比重变得越来越大，其状态主要受太阳风条件和磁层内状态的影响。3.1.1.5 电离层电流在电离层E层存在一个Sq电流系，它的分布相对太阳是固定的，其磁场Sq分布相对太阳也是固定的。图415示出Sq电流系的分布，左图是白天半球，右图是夜间半球，上图相应于二分点，下图相应于北半球夏至。电流系在每半球有一个电流旋涡，中心大致在地磁纬度30左右的正午于午线上。电流在北半球逆时针旋转，南半球相反。Sq电流系在磁倾赤道（磁倾角为零）上空5最强。Sq电流系有季节变化，夏至最强，冬至最弱。Sq电流系的磁场主要在地面和附近高度分布，在几个RE以外，就观测不到了。3.1.2 主磁场及其长期变化3.1.2.1 主磁场的解析表达地球主磁场源位于地球内部，因而在地球表面和上空的磁场可以用磁位的梯度表示，地球主磁场的磁位可以用拟规格化缔合勒让德函数表示为：式中 V：磁场的磁位； a：参考地球半径，6371.2km； r：地心距； q：地理余纬； f：地理东经； ：根据主磁场观测数据确定的高斯系数； ：n阶m次的拟规格化缔合勒让德函数。这个磁位在向北、向东、向下方向的梯度X、Y、Z，分别就是向北、向东、向下三个方向上的磁场强度分量，它们的表达式为：利用上述表达式和相应时间的系数可以完全确定地面以上和几个Re以内的磁场空间分布。分析结果表明，n=1的项约占磁位V值的90以上。它代表位于地心的偶极子磁场，剩余的部分叫做非偶极于磁场。非偶极于磁场中，n=2和n=3两项占主导地位。地心偶极子的磁矩：磁轴的方向由下面两式确定：式中fo和qo分别为地理经度和余纬。偶极子矩指向南。在要求不高时，可以用偶极子磁场代表地磁场，偶极子磁场的强度为：式中Fo为地面赤道处磁场强度，q为余纬。图3.5 由地磁Sq变化导出的电离层中的电流系。图中等值线上的数字表示该等值线与0等值线之间流过的电流强度，以104A为单位，实线表示电流逆时针旋转，虚线表示电流顺时针旋转。偶极子磁场磁力线方程为：式中r为地心距，ro,qo为磁力线与地面交点坐标。3.1.2.2 主磁场的长期变化观测和分析都表明地球主磁场随时间缓慢变化，其时间尺度是年。古地磁特性研究表明地磁场的极性在过去4500万年中已翻转过几次。在短一些的时期，即从1000年到1900年的时间里，磁极位置也发生了变化。近代地磁场长期变化有如下特征： 偶极子磁矩以平均每年约005%的速率减小； 偶极子的磁极沿纬圈以平均每年005经度的速率向西移动； 非偶极于磁场即世界异常场以平均每年0.2经度的速率沿纬圈向西漂移； 非偶极子磁场以平均每年10nT量级的年均变化率增加或减小。下图给出地球磁偶极子矩及磁极位置的变化。图3.6 地球磁偶极子矩随时间的变化。图3.7 地球磁偶极子北极位置随时间的变化。3.1.3 变化磁场地球空间磁场除了主磁场的长期变化外，还包括多种类型的短期变化磁场。根据时间的特点可以分为平静变化和干扰变化两类。平静变化指待续存在的周期性变化，包括太阳静日变化（S。场）和太阴日变化（L场）；干扰变化是不连续出现的，持续时间长短不一的各类变化，其中对航天环境影响最大的是磁暴和亚暴。磁场的变化灵敏地反映近地空间环境的变化，它是近地空间环境状态的重要指标。静日变化3.1.3.1 太阳静日变化（Sq场）太阳静日变化是以一个太阳日为周期的日变化。由每月5天磁静日统计得出，记为Sqo太阳静日变化具有如下特性： 1）太阳静日变化的变化幅度为几十 nT，占地面总磁场的 0. l%左右； 2）太阳静日变化与经度有关，任何一个要素变动的相位，随两点之间的经度差而不同； 3）振幅与季节有关，夏至达极大，冬至达极小，二分点为冬夏两季的平均值； 4）太阳静日变化与纬度有关。3.1.3.2 太阴日变化（L场）太阴日变化是日-月引力场引起的大气潮汐运动发电机电流产生的场。其幅度很小，只有几nT，比太阳静日变化幅度小约一个量级。3.1.4 主要的扰动场3.1.4.1地磁暴 简称磁暴磁暴是全球性强烈的地磁扰动，持续时间十几到几十个小时。地面的扰动幅度在几十至几百个nT，偶尔可达1000nT以上。磁暴发生时往往出现极光、电离层扰动以及宇宙线暴。磁暴期间，地磁场的偏角和垂直分量都有明显起伏，但最具特征的是水平分量H，因而磁暴多以水平分量的变化为代表。按其强度（即变幅值）分为小磁暴、中等磁暴和大磁暴3个等级。它们分别按强度小于50nT、在50和100nT之间和大于100nT划分。磁暴的典型形态示于图3.8。磁暴是地球空间环境中的常见现象。不发生磁暴的月份是很少的。磁暴出现的频率与太阳活动有关，太阳活动越强的年份，磁暴的频率越高。磁暴出现的频率还与季节有关，在二分点及其前后有发生频繁的趋势，尤其是很大的磁暴。18721930年的59年观测结果的统计分析表明，地磁活动性有两个明显高峰，峰的时间与二分点相对应，还有两个低谷，与二至点相对应。有时磁暴在27天（一个太阳自转周期）后重现。图3.8 磁暴的典型形态。图3.9极光区1100km的高度上测出的磁暴出现的频率和幅度3.1.4.2 磁暴分为急始型（SC）磁暴和缓始型（GC）磁暴急始型磁暴在地球表面的磁场表现为：开始磁场H分量突然增加约2050nT，随后几小时内减到最少，通常H分量下降100300nT，偶尔可超过1000nT，然后恢复到暴前值。缓始型磁暴开始时磁场是逐渐增加的。图3.9是极光区1100km的高度上测出的磁暴出现的频率和幅度。在地球同步轨道高度区磁暴环电流产生的磁场值可与当地磁场相比，可使当地磁场减小一半以上，甚至使磁场反向。表3.1给出1979至1995年期间发生的Dst超过50nT的中等以上的磁暴。该表所列磁暴是中国地震局地球物理研究所杨冬梅、高玉芬在原国家地震局地球物理研究所编制的磁暴报告(1995)的基础上，结合美国NGDC（NOAA）提供的Dst指数，选出的Dst超过50nT的中等以上的磁暴。磁暴的起始时间和结束时间均采用磁暴报告中的数据。除给出每个磁暴的Dst指数的最低峰值外，还给出了该峰值对应的日期和时间。表中SC表示急始型磁暴。GC表示缓始型磁暴。急始型磁暴的起始时间精确到分钟，缓始型磁暴的起始时间精确到小时。3.1.4.3 磁层亚暴和磁亚暴磁层亚暴是高纬地区夜半侧和磁尾区的强烈扰动。按现在流行的称呼，亚暴一同若不冠以限定词则等同于磁层亚暴。亚暴发生时，极光带电离层和磁尾整体受扰，表现出光、电磁、等离子体等多方面现象。整个亚暴过程中磁尾磁场和等离子体一直有剧烈起伏，出现高速等离子体流。亚暴是磁尾的一种激烈而频繁的运动形式。 地磁亚暴或磁亚暴是磁层亚暴在地磁场上的表现，是持续约23小时的地磁扰动。磁扰日里亚暴几乎每天都发生数次。亚暴常成串出现，事件间隔无规律。在极光带，典型的亚暴幅度为几百nT，同时伴随发生的还有极光亚暴、电离层亚暴等。磁亚暴的特征是：在午夜子午线上，在极光椭圆带磁场北向分量出现负弯扰，而在低纬出现正弯扰；磁场变化有强的地方时效应，在极光椭圆带，负弯扰在午夜后黎明前最强，而在黄昏经常出现正弯扰。地面磁场的扰动反映了电离层中电流系的扰动。亚暴期间，等效电离层电流方向是向西的，西向电流集中分布在极光椭圆带，叫做极光电急流。西向电急流由极光椭圆带的黎明部分一直伸展到黄昏侧，再向西有一东向电急流。西向电急流在极光椭圆带午夜部分引起地磁场北向分量的负弯扰，而东向电急流在黄昏部分引起正弯扰。在磁亚暴期间西向电急流分布的厚度约20km，南北宽约1000km，总电流强度约为 9105A，最大电流密度在 110km的高度，其数值约为 5弯扰。在磁亚暴期间西向电急流分布的厚度约20km，南北宽约1000km，总电流强度约为 5105mA m-2。磁层亚暴过程可分为增长相、膨胀相和恢复相三个阶段。增长相是第一阶段，一般认为这是太阳风能量进入地球磁层并贮存在磁尾的过程。这一阶段中地面上没有明显变化。膨胀相是磁层亚暴的第二阶段，是增长相后的磁尾能量释放过程。由于磁尾贮存的能量以激烈的方式释放到磁层内，由磁尾进入内磁层的能量较高的等离子体使环电流增强，极光亮度增强。恢复相是亚暴过程的最后阶段，扰动磁场由极大值逐渐恢复到正常值。在磁层亚暴期间，磁尾的结构发生一系列变化，并伴有等离子体注入事件发生，形成向航天器充上高电位的环境。注入几乎与亚暴同时开始，向地球方向流动的等离子体流的平均持续时间约为12分钟。反映亚暴强弱程度通常用AE指数，详见下文。表3.1 19791995年中等以上磁暴表表3.1 19791995年中等以上磁暴表（续1）表3.1 19791995年中等以上磁暴表（续2）表3.1 19791995年中等以上磁暴表（续3）表3.2 国际地磁参考场(IGRF)模式系数表表3.2 国际地磁参考场(IGRF)模式系数表(续)3.1.4.3 地磁脉动地磁脉动是地磁场的一种短周期变化，周期一般从十分之几秒到一两分钟，持续时间由几分钟到几个小时。地磁场变化的幅度由几nr到几十nr，偶尔可达几百nr，无论在磁暴磁扰日还是在磁静日，都会出现脉动。按脉动的特征可以分为连续脉动和不规则脉动两大类。地磁脉动与太阳活动和太阳风、磁层变化、带电粒子的运动都有密切的关系。地磁脉动分类、特性和起因的详细情况请参见有关文献。3.1.5 定量磁场模式3.1.5.1 主磁场模式 国际地磁和高空物理协会（IAGA）发表的国际参照磁场模式（IGRF）是采用最广的磁场模式。模式的表达式是拟规格化缔合勒让德函数给出的算式。五年为一个场期，相应的高斯系数每五年更换一次。1945年以来每个场期的系数值见表 3.2。由磁场的解析表达式可以看到，在越接近地面的地方需要越多的项数才能更精确地描述磁场异常的细节。随高度增加，主磁场的偶极场（与n=1相应的调和项）以r-3的比例衰减，而主磁场的非偶极部分，即相应的n=2，3，4，5调和项地磁场分别以r-4，r-5，r-6，r-7的比例衰减。大约到500km高度时，磁场就接近光滑的偶极场。但在大于5RE以外，外源场的比重增大，磁层磁场对偶极场有较大偏离。国际参照磁场模式（IGRF）不再能够较好描述那里的磁场。在离地球几个地球半径（RE）以上的高度区域，地球磁场已大大偏离偶极场，这里的磁场需要用包括主磁场和磁层主要电流的磁场的模式来表达。由于外源场变化复杂，用模式描述瞬时磁场很困难，目前尚无瞬时磁场的模式。现在已存在若干一定扰动条件下的平均外源场模式。其中Tsyganenko磁层磁场模式是包括内源场和外源场的磁层磁场模式。它在许多空间物理问题的研究中已被广泛采用。Tsyganenko磁层磁场模式是根据多颗卫星在不同磁扰水平条件下取得的36682个磁场矢量观测数据进行分析拟合得到的经验模式，这些观测复盖了相当大的磁层空间。该磁场模式适用于470RE空间范围。它包含了主磁场和主要磁层电流系产生的磁场，可以给出磁层磁场在不同磁扰条件下的平均磁场分布，包括不同Kp和不同AE指数条件下的平均磁层磁场位形。Tsyganenko磁层磁场模式的另一个主要用途是把地面或电离层极区位置的观测点投影到磁层源区或共轭点。该模式是平均模式，因而只具有参考意义，与具体情况会有很大偏离。3.1.5.2 近地面空间磁场地面和近地空间磁场主要来源于地球内部磁场，近似为一个地心偶极子的磁场，其磁轴与地理轴夹角为11.2，磁场强度在南北磁极约为60000nT，磁场方向大致由南向北。偶极场占约90%，非偶极场占约10。在南大西洋上空有一磁场很低的磁异常区。偶极场部分以r-3的比例随地心距减小，而非偶极部分以r-4，r-5的比例减小，在约35RE范围内磁场几乎全部是偶极场。地面和近地空间磁场的分布可以用相应时期的国际参照磁场模式（IGRF）计算得到。图3.10至图3.12是用IGRF 1995模式得到的1995.00年地面和地心距3RE之间不同高度的磁场总强度、磁偏角和磁倾角的等值线图，用这些图可以直观地了解不同高度的磁场大小和方向的分布，相应的数值列于表 至 。在6RE以外磁场已大大偏离偶极场，图3.13给出了由实测数据确定的赤道平面内磁场的平均等值线。3.1.6 地球同步轨道高度的磁场3.1.6.1 宁静时地球同步轨道高度的磁场地球同步轨道高度的主磁场很小，外源场变得举足轻重，国际参照磁场模式已不能很好描述该区磁场。本节给出卫星观测的平静时同步轨道磁场特征。图3.14给出了典型的同步轨道冬夏两季磁平静日（AE50nT）的磁场随世界时的变化，这是1986年6月 19日（虚线）和 12月 18日（实线）GOES-6的观测结果（注意不同分量坐标尺度不同，观测采用VDH坐标系）。其特点是：图3.10 用IGRF 1995模式得到的1995.00年地面高度上磁场总强度的等值线图。图3.11 用IGRF 1995模式得到的1995.00年200km高度上的磁场总强度的等值线图总磁场约80160nT；东西分量 BD最小，约 10nT以下；磁场存在周日变化，BH分量变幅DBH为60nT左右；BV和BD分量变幅DBV和DBD分别为10nT左右；磁场存在季节变化，主要表现在BV和BD分量。图3.12 用IGRF 1995模式得到的1995.00年地心距3RE高度上磁倾角的等值线图图3.13 赤道平面上磁场B的平均等值线图。3.1.6.2 磁暴和亚暴时地球同步轨道高度的磁场亚暴发生时，越尾电流中断，形成亚暴电流楔（substorm current wedg）或亚暴电流系。地球同步轨道高度的磁场变化幅度一般不超过40nT，大的亚暴可超过80nT。这时的磁场发生变化，磁场变化的幅度和方向与亚暴的强弱、地方时区以及亚暴的不同阶段有关。当磁暴发生时，同步轨道磁场变化可达平静时总场的50%或更大，效应是使总场减小，有时减小到使磁场反方向。 图3.14 宁静时同步轨道高度的磁场。3.1.7 磁层顶磁场磁层顶是磁层磁场与行星际磁场的交接区域。观测表明向日面磁层顶的厚度经常是100km量级，与磁场中的质子回旋半径相当，但有时变得很厚，达1000km。OGO5卫星57次穿越向日磁层顶期间测量得到的磁层顶内的平均磁场强度为 42nT；磁层顶外的平均磁场强度为28nT。3.1.8 磁尾磁场磁尾磁场位形呈尾样形状，其横截面为椭圆，南北方向尺度比东西方向小，磁场在北半尾指向地球，南半尾相反。太阳风的流向和地球偶极轴的倾斜影响磁尾轴的的方向，地球偶极轴与自转轴不重合，有昼夜摆动，使磁尾轴在南北和东西两个方向摆动，偶极轴的倾斜还使中性片变成拱形。尾轴和中性片对日地连线的各种偏离使磁尾边界和磁尾各等离子体区相对给定航天器位置发生变化，在处理航天器的观测数据时，需要通过适当选择参考系，使太阳风和偶极轴摆动等引起的变化得到修正。 图3.15示出磁尾下游2030RE午夜时分的平均磁场分布，纵坐标是离中性片的距离。磁场强度在中性片为2nT,中心等离子体片是10nT，尾瓣为25nT，等离子体幔为25nT，磁鞘为5nT。虽然磁场强度的精确值随该处下游的距离而变，但整个磁尾中磁场的这种横向变化趋势不变。 ISEE-3卫星观测表明，在月球距离（600RE），Bz分量主要是北向的；在磁尾下游地心距200240RE的地方，磁尾仍是两个尾瓣的结构。宁静时，在尾瓣离地球 200RE处，磁场的平均值为 7.1nT；而包括各种磁扰条件的磁场平均为9.2nT。3.1.9 平均磁层磁场位形应用Tsyganenko磁场模式可以给出不同磁扰水平下和不同亚暴活动水平下的平均磁场位形。图3.16（a）和（b）分别是 KP为 0，0-；和5两种扰动条件下的正午-子夜于午面的磁场位形，（c）是f=30，KP为 3-，3，3+；条件的磁场位形图。f是地球磁偶倾斜角（geodiple tilt angle）。图3.15 磁尾下游2030RE午夜时分的平均磁场分布。图3.16a 宁静条件下(KP为 0，0-)，正午-子夜子午面的磁场位形(f=0)。图3.16b 强扰动条件下(KP5)，正午-子夜子午面的磁场位形(f=0)。图3.16b 中等扰动条件下(KP为 3-，3，3+)，正午-子夜子午面的磁场位形(f=30)。 3.1.10 地磁活动性 地磁活动指数、国际磁静日和滋扰日3.1.10.1 磁情记数C和国际磁情指数Ci磁情记数C是逐日静扰情况的量度，共分三级，用0、1、2三个数字表示扰动程度。根据每个地磁台一个整世界日的地磁水平分量记录凭经验判断，得出地磁扰动程度的结论：平静记为0，扰动程度中等记为l，强扰动记为2。把世界各台站磁情记数C的算术平均值保留一位小数，便得到国际磁情指数Ci。磁情指数是一种方便快捷的量度。3.1.10.2 K指数，KP指数，aP、AP指数，CP指数K指数是描述单个地磁台站每三小时间隔内地磁扰动强度的指数，称为3小时磁情指数，共分10级，用0、1、2、9来表示，数值越大表示地磁扰动程度越强。每日分为0003，0306，2124八个时段，每个时段确定一个K值，其数值和地磁要素按该时段内经过静日变化校正后的变幅相对应。每一个地磁台都选择自己的K指数标度值，以便消除纬度的影响。K指数标度值选取方法是按照准对数关系给每一级K值规定一个幅度下限，根据每个地磁台站的磁场水平分量H和偏角D变化幅度较大者为基础确定K指数。KP指数是全球三小时磁情指数，称为行星性3小时指数或国际磁情指数，表示3小时时间间隔的全球地磁活动性。在全球位于地磁纬度47和63之间选了13个标准地磁台站，这些台站上，所得10级K指数转化为28级KP标准化指数，KP分为0o，0+，1_，lo，l+，2_，2o，2+8_，8o，8+，9，9。，每相邻等级之差为1/3，如2-即1又2/3，2。即2，2+即2又1/3，依次类推。不同季节和不同时段有不同的K与KP的转换关系。这些标准台站的每日各相应时段KP的平均值就定义为KP指数。为了数据处理方便，又将其纯数值化，将指数值乘以10，对下标为“-”的减去3，对下标为“+”的加上3，即0。为0，0+为3，l_为7，l。为10，1+为13，2为17，2。为20，2+为238为77，8。为80，8十为84，9为87，9。为90。每天8个KP指数之和SKP表示每一格林尼治日的地磁活动程度。aP指数是与KP指数等效的行星性幅度，叫地磁扰动等效行星性幅度，KP指数与等效幅度aP指数的对应关系列于表46l。单位为2nTAP指数为行星性日平均指数，也叫每日平均变幅，每日全球地磁扰动等效行星性幅度。它是每天8个aP指数的平均值，即AP=SaP /8。CP指数是另一种描述全球全天地磁扰动强度的分级指数，称为全日行星性磁情记数。是以每日8个aP指数之和SAP为基础分级的，从00到25共分26级。 CP和SaP的关系见表个62。KP指数、aP指数、AP指数等的数值都定期在专门的刊物STD上公布。表463和464分别给出19571996年期间的纯数值化的每日KP和及行星性日平均指数AP。3.1.10.3 Dst指数Dst指数是描述赤道环电流强度的指数。选不受极光电急流和赤道电急流影响，经度大致均匀分布的五个低纬台站，这些台站地磁水平分量的时均值与相应的宁静水平分量之差就是Dst的值，单位为nT，Dst指数是磁层中环电流强度的量度。3.1.10.4 极光电急流指数 AU、AL、AO 和 AE指数反映极光带磁扰程度通常用极光电急流指数AU、AL、AE和AO，术语“AE指数”通常代表这四个指数。AE指数是极光电急流活动性的量度，即极区磁亚暴强度的量度。指数AU（auroral upper）和指数AL（auroral lower）分别是极光带的全部地磁台站的磁场的水平分量H与宁静平均水平分量的最大正偏差和最大负偏差；现在以1分钟为时间间隔，正偏差在极光带里只在傍晚能观测到，负偏差在早晨和夜间时能观测到。它们与沿极光带分别向东和向西流动的极光电急流有关。AE指数是AU与AL之差，即每时段最大正变化与最大负变化绝对值之和。不论出现扰动的地点如何不同，它从整体上代表极光带的磁扰程度，即极区磁亚暴强度的量度。AE指数由世界数据中心CZ（WDCCZ）的地磁组在定期出版的“DATA BOOK”上公布。3.1.10.5 磁静日每个月中地磁场最宁静的5天为磁静日，以Q表示。早年以国际磁情指数CP为标准，每月中最小 5天为磁静日。目前改用下列 3个判据：(1) 8个 KP指数之和；( 2) 8个 KP指数的平方和；( 3) 最大的KP指数。3.1.10.6 磁扰日每个月中地磁场扰动最剧烈的5天为磁扰日，以D表示。早年以国际磁情指数CP为标准，每月中最大的五天为磁扰日。目前的判据，同磁静日。3.1.11 行星际磁场行星际磁场是太阳磁场被太阳风等离子体携带向行星际空间延伸而形成的磁场。太阳磁场是行星际磁场的源。3.1.11.1 行星际磁场的方向特性与平均位形太阳以一定的角速度自旋，太阳风等离子体又和磁场冻结在一起，太阳风向外膨胀带出太阳磁场时，磁力线因此就被弯曲成螺旋线形状。图3.17是太阳赤道面内行星际磁场的平均位形。螺旋线的弯曲程度由太阳风速决定，太阳风速越低，螺旋线弯曲越厉害；太阳风速高，螺旋线比较平直。行星际磁场在地球轨道附近的平均方向与日地连线夹角在4050“的范围，向日地连线的西向偏离。但在小尺度范围磁场有相当大的不规则性。3.1.11.2 行星际磁场极性的分布行星际螺旋状磁场在地球黄道面附近按其方向分为几个扇形瓣，即行星际磁场在某些太阳经度范围内方向指向太阳，而在另一些太阳经度范围内则背向太阳。扇形分布特性与存在于太阳赤道面附近的电流片（或中性片）有关。行星际磁场的扇形分布是由于地球稍稍处于电流片上面或下面而引起的。在同一太阳半球内有一种主导的极性，这种主导极性与太阳极区磁场的极性相同。太阳极区磁场的极性有22年周期的变化。例如，在第20太阳活动周极大期1968年后，在日球北半球，行星际磁场的主导极性是正的，即从太阳出发；相反，在南半球则是以指向太阳的负极性为主。而这之前的19651967年太阳两半球的磁场极性正好相反。当太阳极区磁场极性随太阳活动周而改变时，日球某一半球的行星际磁场的主导极性也会随之而改变。太阳磁极不与自转轴相重合，电流片也不和日球赤道面相重，倾角也是变化的。由于太阳自转和不均匀结构的作用，电流片出现皱折，如同飞舞的芭蕾舞演员的裙子一样，因此又有人称之为芭蕾结构。这样，在黄道面内的观测者看到的是2个或2个以上的扇形结构，具体个数依电流片与黄道面交线数目而定。图472是1963年12月至1964年2月由IMP卫星观测到的扇形分布。这段时间，行星际磁场的方向稳定地分成4个瓣，这一分布每隔27天扫过地球一次。1973年末开始出现2个瓣的扇形分布，271天重现一次，黄道面附近的行星际磁场的扇形分布与太阳风高速流有大致相同的寿命。他们的出现是紧密相关的。通常扇形分布中磁场极性的改变发生在两个相邻的高速流之间，而每一个扇形瓣有一个主要的极性。图3.17 螺旋形行星际磁场磁力线。图3.18 由IMP卫星观测到行星际磁场的扇形分布。磁场极性分布对太阳纬度有依赖关系。在太阳赤道面附近的扇形瓣有差不多的经度范围，然而随着纬度的增加，一种极性就成为主要的，约在2030以上，就没有所谓扇形结构了。相邻扇形瓣之间的边界称为扇形边界，是地球穿越电流片时看到的。电流片的厚度大约为104km的量级，在地球上看，当穿过电流片时，几分钟之内磁场方向就改变了180。高分辨率的磁场矢量测量表明扇形边界的结构是十分复杂的，它通常接近于一个切向间断面，磁场矢量在间断面内旋转，而磁场量值在间断面内减小，间断面的最可几厚度为 3104km。3.1.11.3 在行星际磁场大小的统计特性行星际磁场在地球轨道附近的平均强度为56nT。图3.19是IMP-1在3个自转周中测量的磁场值的分布，平均值为3.0nT，最低值为0.25nT，最高值为40nT。绝大多数情况都不超过15nT。行星际磁场的径向分量Br随日心距r的平方成反比地减小，这是由磁通量守恒决定的。磁场的方位分量Bf的平均值随日心距r成反比地减小。图3.19 由IPM-1卫星测量的行星际磁场值分布。 图3.20 1972年行星际磁场涨落横向功率谱。行星际磁场除了上述的大尺度结构之外，还出现随机涨落，它是由太阳风的波动和湍流引起的。随机涨落的幅度均方根值可达磁场平均强度的30%，其典型功率谱如图3.20。地球轨道附近的行星际磁场虽然很小，但在太阳和磁层相互作用和磁层过程中起至关重要的作用。3.2 空间电场无论从空间物理基础理论研究，还是从航天工程应用的角度看，地球空间电环境都是一种值得监测和研究的重要空间环境参量。空间等离子体中电场的形成和时空演化及其效应、航天器发射升空和回收着陆期间防自然雷击与诱发雷击、航天器在轨运行期间防高压充电和高压放电等，都是人们着力研究的有关地球空间电环境的重要课题。地球空间静电环境，一般可用电场强度、电流密度、电导率和带电粒子密度等参量来描述。后两者表征了地球空间介质的导电性能。地球空间内部和外部电源在地球空间产生空间电场，并产生空间电流。这些参量中，电场强度是最有代表性的参量。对航天器的影响也以电场强度为代表。带电粒子密度是描述空间环境电特性的重要关联参量。带电粒子相互间以及带电粒子与中性大气分子间的碰撞决定了电导率，中性大气已在第2章中描述。电流密度则可由电场强度和电导率推导得出。空间电流也是磁场的源，本章前一部分也给出了一些描述。本章剩余部分所要描述的空间电环境，以电场为主，辅以电导率。由于电位与电场直接关联，有时也用电位分布表示电场。地球空间电环境的典型数值见表3.3。3.2.1 基本概念3.2.1.1 电导率 电导率可以从宏观和微观两个角度定义。从宏观角度，电导率是电流与电场强度的比值，即欧姆定律的比例系数s： 在70km以下，大气电导率是各向同性的，s是个标量。但在更高的高度上，由于碰撞频率降低，电离度增加，地磁场的影响相对加重，大气电导率变为各向异性，成为张量。从微观角度，电导率是带电粒子浓度与迁移率的乘积，在70km以下：式中e=1.61019C，是电子的电荷量，ni和ne分别为正离子和电子或负离子的数密度；m i和me分别是正粒子和电子或负粒子的迁移率。当高度比较高时，电子和离子的迁移率受地磁场影响，必须考虑电导率的各向异性，与迁移率的定义相对应，可把电导率分为三类。与佩德森迁移率mP相对应的电导率叫佩德森电导率sP，与平行于磁场而垂直于电场的电流对应，与霍尔迁移率mH相对应的电导率叫霍尔电导率sH，和同时垂直于平行于磁场与电场的电流对应，与平行迁移率m/相对应的电导率叫平行电导率s/，与平行于磁场和电场的电流对应，表3.3 空间电环境参数 在高层大气中，平行电导率比佩德森电导率和霍尔电导率大得多。欧姆定律成为：式中B。是地磁场的磁感应矢量。用回旋频率a和碰撞频率。表示时有：由上面定义可见，带电粒子密度是计算电导率的关键参量。地球空间的气体分子在宇宙线、太阳紫外辐射、X射线、放射线等等电离源的作用下，有部分中性分子电离成正离子和自由电子，再经一系列复杂的化学反应，最后稳定为一定数量的正、负带电粒子。正、负粒子浓度乘以它们的迁移率或碰撞频率，就得到电导率。图3.21 a、b和 c是 40km以下近地面电导率的数值。从中可以看出：电导率随着高度升高基本上按指数函数增加。图3.22是中纬度570km高度范围内大气电导率的实测数值。因为进入地球的宇宙线强度随纬度而变化，所以电导率也随纬度的增加而增加，在太阳事件强烈的期间，中层大气电导率可以出现量级的增加。图3.21 大气层电导率。 a）赤道上电导率模式分布；b）观测结果；和 c）汲取电导率l+和l-以及电流密度的气球观测值，气球升空地点：1605N, 4542W；时间：1973年11月22日20:20GMT。图3.23是极区大气电导率的高度剖面。是1980年10月挪威用火箭探测得到的。发电机区的柯林(Cowling)电导率，电离层中电导率的平均高度剖面见图3.24和3.25。磁层和太阳风可看成无碰撞等离子体，其中的平行电导率为无穷大。3.2.1.2 地球空间的四种电场由麦克斯韦电磁方程组可知，产生电场的源共有两种。一种是自由电荷，能产生有势电场。第二种是磁场随时间的变化，能产生有旋电场。这两种源产生的电场分别称作极化电场和感应电场。地球空间还有另外两种特殊形式的电场，