地磁扰动的时空变化规律和产生原因:统计和模拟研究

地磁感应电流(Geomagnetically Induced Currents, GICs)是发生在地球表面的一种空间天气现象,对石油管道、电缆等长距离地面基础设施会产生不利影响.研究GICs的产生原因及其与太阳风驱动条件的关系对于预报灾害性空间天气具有重要意义.由于GICs的产生与地磁场扰动紧密相关,本文利用北半球100多个地磁台站的长期监测数据,统计分析了地磁扰动及其时间变化率(磁扰率)与各种太阳风参数/地磁指数之间的相关性,并以2013年3月17日的磁暴事件为例,采用全球空间天气模型框架(space weather modeling framework, SWMF)模拟了磁暴期间地磁场扰动在北半球的分布以及日地空间中各电流体系对地磁扰动的作用.研究结果表明:(1)中低纬度的地磁扰动北向分量Bx与表征环电流强度的SYM-H指数呈现较高的正相关性(相关系数CC=0.75),高于它与亚暴AE指数以及其他太阳风参数的相关性,说明磁暴期间环电流是导致中低纬度北向磁场减弱的主因,而在平静期间东向的磁层顶电流是中低纬度北向磁场增强的原因;(2)地磁扰动率与太阳风动压、行星际磁场IMF Bz、亚暴AE指数或者磁暴SYM-H指数均没有强相关性;(3)高纬地区的磁扰率通常大于低纬地区,而较强的磁扰率倾向于出现在中等磁暴或者中等-强亚暴期间的中高纬地区;(4)SWMF模型能较好地反演地磁平静时的北向地磁扰动和磁暴时的东向地磁扰动;(5)磁暴期间,磁层电流对中低纬度北向地磁扰动的贡献最大,而电离层霍尔电流对高纬地区的北向地磁扰动有着很强的支配地位;另外,高纬地区的东向地磁扰动主要由霍尔电流控制,而中低纬地区则受制于场向电流.