地磁扰动监测

　　 犹如空气和水，地磁场也是人类生存不可缺少的环境条件之一。它包围在地球的周围，保护着地球上的生命，使其免受高速太阳风的威胁和宇宙高能粒子的轰击。但水能载舟也能覆舟，当太阳风暴发生时，地磁场会因受太阳爆发活动的影响而发生扰动，其产生的效应会对通信系统、电力系统、输油管道、卫星等造成严重影响。因此，进行地磁扰动监测，实时掌握地磁场变化情况对于空间环境预报研究以及如何应对太阳爆发活动都具有重要作用。

1.地磁暴监测

　　地磁暴是地球磁场发生的强烈扰动，对其监测其实是在地球磁场监测的基础上进行的，因此如果想寻踪觅迹地磁暴，应首先从地球磁场监测入手。

地球磁场监测

　　地球磁场（简称地磁场）充斥着地球的每一个角落，陆地、海洋、空中，它的身影无处不在。地球上的所有生命都是在地磁场的环境中产生和进化的。出于对地磁场探知的渴望，人们对于这个生命保护伞的监测已经有几百年的历史了，一路走来协助人们完成此项任务的功臣便是地磁监测仪器。
　　地磁监测仪器是地磁场监测的基本工具，它最早的形态是机械式的观测角度的仪器。随着科学技术的发展，出现了观测地磁强度的磁力仪；到了今天，地磁监测仪种类已有很多，根据测量参数可分为绝对测量仪与相对测量仪。绝对测量仪主要是对某一时刻某一地磁分量的绝对值进行观测的仪器，如质子旋进式磁力仪、光泵式磁力仪、超导磁力等。相对测量仪是测量磁场分量相对差值的仪器，如磁通门磁力仪、感应式磁力仪等。
　　在地磁场监测几百年的历史进程中，随着探测仪器的不断改进，探测技术的不断提高，人们对其监测的手段也在不断改进。概括来讲主要分为地面磁测、海洋磁测、航空磁测与卫星磁测。其中地面磁测是获取地磁场信息的主要途径，更是监测扰动磁场（如地磁暴）的重要手段；海洋磁测、航空磁测则能弥补地面磁测无法到达之处数据的空白，完善了地磁监测资料；卫星磁测具有信息量大，覆盖面积均匀等特点，能在较短的时间内获得全球磁场资料，实现了地磁场的三维测量，开辟了地磁测量的新纪元。通过地面、海洋、航空以及卫星的综合测量，我们可以获得较完整的地磁场信息。

磁暴指数

　　地球磁场具有复杂的时间结构和空间结构，它受太阳活动的影响会产生各种扰动，而地磁暴是其中最强烈的一种。磁暴发生时，地磁水平分量H变化最大，因此磁暴监测主要是监测H分量，但为了能从地磁场中排除其它扰动而将其“寻觅”出来，并且能简洁地描述其强度，地磁学家们以H分量为基础构建了磁暴指数。这样，磁暴指数变成为了地磁暴监测的最佳体现。

　　地磁暴是全球性的磁场扰动，但同时它也具有区域性，不同纬度地区扰动幅度会不同，为了能够简洁的描述某一地区的磁扰强度，科学家们设计了地磁台站3小时时段内地磁扰动强度的指数，称为“三小时磁情指数”。为了得到描述全球地磁活动的指标，人们从全球地磁台网中选择了13个中纬度台站，求出每个台站的标准化K指数——Ks，然后将这些Ks指数经过数学转换得到一种描述全球地磁活动性的新指数，叫做“行星际三小时磁情指数”即Kp指数。同时，人们还设计了可以反映地磁场一天扰动情况的Ap指数以及主要反映环电流对磁场影响的Dst指数。

2.地磁亚暴与地磁脉动监测

　　地磁场因受太阳活动影响除了会产生地磁暴以外还会产生地磁亚暴和地磁脉动等。其中地磁亚暴、地磁脉动同样与太阳爆发活动和磁层活动关系密切，并且经常伴随磁暴发生，所以它们的监测对于太阳风暴预报以及地磁暴监测与预报都具有重要意义。

地磁亚暴监测

　　地磁亚暴是主要表现在高纬度地区的一种地磁扰动现象。亚暴期间，整个高纬地区，特别是极光带，磁场同时发生剧烈扰动。不同经纬度的扰动幅度，可以从几十纳特变化到几百纳特，有时可以超过1000纳特。
　　亚暴的监测同地磁暴一样，均依靠指数来体现。描述亚暴的指数为AU、AL、AE和AO指数。他们是依靠沿极光带选择经度间隔大致均匀的12个地磁台来确定的。从这些台站的水平分量变化中消去平静变化，然后按世界时把这些变化曲线重叠地画在一起。曲线的上、下包络线就是AU和AL指数，上下包络线之差就是AE指数，上下包络线的平均值是AO指数，其中AE指数是最常使用的亚暴指数。

地磁脉动监测

　　地磁脉动是太阳活动引起的一种短周期的磁场扰动变化。周期范围为0.2秒到十几分钟，振幅范围为百分之几纳特至几百纳特，持续时间为几分钟至几小时。脉动可分为两大类共9种。第一类称为连续脉动即Pc脉动，Pc可细分为 Pc1~Pc6，其中Pc5脉动常在磁暴和亚暴发生时出现，又叫暴时Pc5；第二类称为不规则脉动即Pi脉动，Pi可细分为Pi1~Pi3，其中pi1、Pi2经常伴随亚暴发生，被称为亚暴的“指示器”。
　　地磁脉动与太阳活动和磁层活动关系密切，而且每次脉动都联系着它出现时的磁层活动，如磁暴、亚暴、湾扰、磁层内带电粒子的变化以及太阳活动等一系列相关现象。根据地磁脉动的产生机制和能量传输过程，我们可以利用地磁脉动来监测、预报地磁暴和亚暴以及地球同步轨道相对论电子通量。因此，监测地磁脉动，获取监测数据进而对脉动进行研究对于我们进一步了解和认识日地空间有重要意义。
　　地磁脉动监测也是主要采用地面台站监测，依靠脉动指数来体现。脉动指数主要有P脉动指数，描述H和D两个分量各4个波段（Pc2、Pc3、Pc4、Pc5）的脉动活动情况；B脉动指数，分5级，由Pc2到Pc4脉动确定；p1~p12指数，描述0~600s周期范围内12个频段脉动；Pz指数由脉动周期、每小时脉动数和脉动振幅确定。

3.中科院空间环境预报中心地磁台站简介

　　为了实时获取地磁扰动状态，构建自主的地磁扰动指数，中科院空间环境预报中心在2013年建立了河北廊坊地磁台站与海南富克地磁台站。

台站简介

　　河北廊坊地磁台站（39.5N，116.7E）与海南富克地磁台站（19.5N， 109.1E）分别于2011年11月与2012年2月进行选址勘探，并于2013年7月正式运行，实时监测地磁场变化。
　　台站选取合理背景噪声、24小时无噪声干扰源、背景磁场梯度小于1nT/m的场地进行建设。建设过程中严格遵守《地磁台站建设规范》，材料全部选用无磁材料，并且全程进行材料磁性监测。两个台站均建有绝对观测亭、相对记录室、方位标、电气室。其中绝对观测亭主要配置D、I绝对观测仪器，形成一定精度的绝对观测能力，用以控制相对记录仪器的基线；相对记录室配置H、D、Z、F高精度相对记录设备，实现基线较为稳定的地磁场变化监测；方位标是用于测量方位角或磁偏角所安置的地面目标；电器室为测量设备提供电源。

　　两个台站均配有国产GM4磁通门磁力仪、乌克兰LEMI25磁通门磁力仪、Overhauser磁力仪、核旋仪与磁通门经纬仪。其中GM4与LEMI25磁通门磁力仪主要对磁场三分量H、D、Z的变化进行监测，Overhauser磁力仪主要对地磁总强度的变化进行监测，磁通门经纬仪主要对地磁分量D、I进行绝对观测，而核旋仪主要是在台站建造过程中对磁场环境进行测量。
　　为实现地磁监测台站数据管理的业务化运行，还配备三个软件，（1）运行监控软件，主要实现仪器管理、实时曲线展示、用户管理功能；（2）数据采集软件，主要实现采集数据，数据预处理功能；（3）数据传输软件：实现传输数据等功能。

台站简介

　　河北廊坊台站与海南富克台站主要提供地磁H、D、Z三分量与地磁总场F的秒数据。目前两个台站均能提供从2013年7月至今的地磁数据。通过与纬度相近的国际标准地磁台站数据的对比分析发现，廊坊、富克台站与国际标准地磁台站数据相关性高，变化幅度相近，对地磁暴均有明显响应，这表明两个台站与标准台站的数据基本相一致。

数据介绍

　　河北廊坊台站与海南富克台站主要提供地磁H、D、Z三分量与地磁总场F的秒数据。目前两个台站均能提供从2013年7月至今的地磁数据。通过与纬度相近的国际标准地磁台站数据的对比分析发现，廊坊、富克台站与国际标准地磁台站数据相关性高，变化幅度相近，对地磁暴均有明显响应，这表明两个台站与标准台站的数据基本相一致。

　　 同时我们采用快速傅里叶变换，对两个台站的数据进行了脉动提取分析，研究发现两个台站在2014年6月8日地磁暴期间均能观测到明显的脉动，其中Pc5脉动最大振幅达几十nT^2/Hz，Pc5脉动持续时间几个多小时，Pi1持续时间几个小时。

4.展望

　　地磁扰动预报是空间环境预报的重要内容之一。对地磁场进行监测，实时掌握地磁场变化情况，在未来一方面可以构建实时的地磁扰动Kp指数，另一方面可以为地磁指数预报模型、地磁脉动预报模型与高能电子暴预报模型等提供输入参量。这些都将促进我国空间环境预报业务和研究的进一步发展。