地磁急始

地磁急始是地球磁场在短时间内发生的全球性、突发性增强现象。

1. 基本概念与观测特征

   • 当地磁仪记录到水平磁场分量在1-3分钟内出现0.5至数十纳特斯拉（nT）的陡增时，即标志着一次地磁急始的发生。
   • 这种现象在全球各地的地磁台站几乎同步被记录到（传播速度接近光速），表明其源来自地球外部。
   • 急始的典型形态是一个近乎垂直的上升阶跃，其后磁场水平可能保持高位（称为急始型暴），也可能缓慢恢复（称为缓始型暴）。

2. 物理成因：太阳风压力突变

   • 地磁急始的直接驱动力是太阳风动压的突然增强。动压的计算公式为 P = ρv²，其中ρ是太阳风密度，v是太阳风速度。
   • 这种压力增强通常由两种太阳活动引起：
     • 日冕物质抛射（CME）：当高速的CME等离子体团到达地球，其前缘的激波或等离子体团本身压缩地球的磁层，导致磁层顶被向内挤压。
     • 共转相互作用区（CIR）：当高速太阳风流追上低速流，两者相互作用形成压缩区域，同样能引起太阳风压力的增加。

3. 磁层压缩与电流系

   • 当增强的太阳风压力作用在地球磁层上时，整个磁层结构会被瞬时压缩。原本位于约10个地球半径处的磁层顶，可能被压缩至6-8个地球半径。
   • 磁层的突然形变会激发一个全球性的电流系统——磁层顶电流增强。这个环绕在磁层顶的电流系突然增强，是产生地磁急始信号的主要电流源。
   • 你可以将其想象为：增强的太阳风像一只手猛地挤压地球的磁力线“气泡”，这个挤压动作瞬间增强了磁层边界上的电流，该电流产生的磁场叠加在原有地磁场上，被我们观测为急始。

4. 地磁急始与地磁暴的关联

   • 地磁急始本身是一个短暂的压缩事件。它的重要性在于，它往往是后续更大规模地磁活动（特别是地磁暴）的“前兆”或“开场哨”。
   • 如果一个急始之后，地球磁场水平分量在经历初始上升后，开始持续数小时至数天的大幅下降，则意味着已进入地磁暴主相。主相是由磁层中的环电流增强引起的，该电流与急始的磁层顶电流是不同的物理过程。
   • 因此，急始标志着一次强有力的太阳风扰动（通常是CME）已经到达地球，并可能预示着后续更强烈、更持久的地磁暴即将展开。