佘山地磁台于1877年创建, 原址设在徐家汇(ZKW), 1908年8月起移迁至陆家滨(LKP), 1933年再迁至佘山(So-Sé), 迄今仍继续在该址进行常规观测.

利用1877年迄今积累的地磁场三要素的磁照图, 特别是水平强度分量H干扰变化为最大, 先后选量了各类磁暴, 其中1877~1907年60个磁暴取自徐家汇记录.由于标度值与基线值不甚确切, 仅选量最大较差, 均在200nT以上.除了这60个大磁暴以外, 从1908年至2007年(缺1945~1946两年记录), 对每个磁暴, 量图并记录较详, 因此形成迄今百年磁暴记录^{[1, 2]}.

早在1997年Bell等人^[3]利用4个地磁活动指数(Kp, ap, Dst和AE)综合选定极大磁暴.一般选定的指标为Dst≤-100nT或Kp≥60, 这相当于ap≥80或AE≥600nT; 其中Kp和ap起自1932年, Dst和AE起自1957年.为此Bell等人取用1932~1995年所有磁暴记录, 限于最大2%数量并适当考虑生存时限, 最后得表 1和图 1的结果.显示共有13个极大磁暴, 主要发生于太阳黑子周最大下坡和春秋季节.与此同时, Loewe和Prölss^[4]只采用Dst最小指数, 将1957~1993年1085个磁暴, 分为弱(482个)、中(346)、强(206)、大强(45)和极大(6).其标准为极大 < -350nT, 大强为-200~-350nT, 强为-100~-200 nT, 中为-50~-100nT, 弱为-30~-50nT.与此同时, Loewe和Prölss还发现最大ap和AE指数往往先于Dst最小指数约1~2h.

图 1

Fig. 1

图 1 太阳黑子活动周和超级磁暴发生数 Fig. 1 Solar cycle and super storm occurrence

表 1(Table 1)

表 1 根据地磁活动指数选定超级磁暴[3](1932~1995年) Table 1 Super storms by index[3](1932~1995)

表 1 根据地磁活动指数选定超级磁暴[3](1932~1995年) Table 1 Super storms by index[3](1932~1995)

由于佘山百年磁暴期间, 早期缺少可用的地磁活动指数, 因此使用磁暴主相H分量的幅度, 从1908~2007年, 共选定3247个, 其中小于200nT共有2586个, 大于200nT共344个, 无主相幅度317个.最后选定主相ΔH为250~300nT共84个, ΔH为300~350nT共43个, ΔH为350~400nT共19个, 极大磁暴为≥400nT共31个, 如表 2左侧所示.近年来, Ebihara等人(2005)^[5]选定1957~2004年的极大磁暴极小Dst < -300nT共22个. Love (2007)^[6]和Cliver等人(2009)^[7]选定百年1905~2004年间极大磁暴共26个, 如表 2中列所示.二者均以极小Dst作为标准.

表 2(Table 2)

表 2 三位作者选定的超级磁暴 Table 2 Super storms selected by three authors

表 2 三位作者选定的超级磁暴 Table 2 Super storms selected by three authors

将佘山31次极大磁暴与其他三组比较, 可以发现大多数是符合的.差别主要归咎于选定指标和时间年份有所不同.历经多次国际学术讨论会, 一致商定磁暴的形成与变化, 受制于太阳风等离子体、行星际磁场与地磁场和高层大气的相互作用, 其中各自又随时空而有差异.因此, 磁暴的根本来源在于下列4种机制^[8].其一为行星际日冕物质抛射(ICMES), 其二为低速太阳风流与高速太阳风流形成的共转活动区(CIRS), 其三为高强度长期连续极光活动(HILDCAA), 其四称为Russell-McPherron季节效应.这四种机制并不相互排斥, 却是互相独立地进行相互作用, 其中前二种尤为重要, 后二者可使前二者更为有效.

下面列举佘山百年极大磁暴几个典型例子: (1)发生于2003年10~11月万圣节大磁暴^{[9, 10]}, 主要为10月29~30日Dst=-363nT, 10月30~31日Dst=-401nT (主相ΔH=432), 二者均自太阳活动区AR486, 和11月20日Dst=-472nT (主相ΔH=532), 源自AR501, 实为回归的AR484.这3个磁暴, 伴随有3个日冕物质抛射CME, 南向行星际磁场IMF和2个X级大耀斑. (2)太阳质子事件, 不仅在2003年由快和宽的CME强激波产生, 早在1959年7月15~17日和1960年11月12~15日先后也出现过, 形成当时两次日地重大事件, 其详可见文献[11]. (3)历史上导致加拿大魁北克停电9h之久的大磁暴, 出现于1989年3月13日, 是由于日面出现大耀斑导致大磁暴与瞬感电流(GICs)的产生, 与此相似, 先后还有1982年7月13~14日和1921年5月13~15日磁暴^[12]. (4)1991年11月8~10日产生的大磁暴Dst=-354nT (ΔH=418), 其特点在于日面暗条消失, 这与著名1982年7月14日Dst=-310nT和2000年7月15日Dst=-317nT不同^[7]. (5)关于大磁暴的电离层效应, 先后文章较多.涉及2003年万圣节大磁暴, 有丁锋等人^[13]及Perevalova等人^[14]利用GPSTEC分析LS TIDs, 赵必强等人^[15]利用地面和卫星观测记录系统地研究各种电离层效应, 以及Mannucci等人^[16]利用复合时间方法进行分析. Balan等人^[17]对2004年11月7~11日的磁暴分析, 在赤道电离层生存有F3层; 同时Manninen等人^[18]分析在此磁暴的恢复相出现有磁层的扰动.在2004年11月8~10日期间, Sahai等人^{[19, 20]}先后分析东亚区域(越南和日本)和拉丁美洲地区(巴西和阿根廷)由GPS和数字测高仪观测所得F层的情况. (6)关于太阳耀斑效应(SFE), Villante和Regi^[21]利用2003年10月28日全球53测站进行了分析讨论. (7)关于磁暴3D重建, Bisi等人^[22]和Jackson等人^[23]先后各对2004年11月8~10日磁暴和2003年5月27~28日进行模拟计算. (8)本文表 2所列佘山台的极大磁暴, 均以主相最大ΔH为标志, 没有表明是一步还是多步发展的磁暴.根据Kamide等人^[24]的分析, 认为二步发展的磁暴可占总磁暴数的半数以上; 后经Zhang等人^[25]对1996~2006年间90个大磁暴的分析, 暂取Dst大于14. 5nT为一步下降, 则一步下降磁暴仅为34%(31个), 二步下降为49%(44个), 三步及多步下降为17%(15个).进一步分析其原因, 90个磁暴共有165个大步下降.源于行星际日冕物质爆发(ICME)的占45%, 源于磁层磁鞘(SH)的为30%, 源于PICME-SH的为7%, 源于共转相互作用区(CIR)的为11%, 其余的还占7%.

佘山百年极大磁暴的测定, 涉及太阳活动的几个"旗手"和近地空间各层次若干"勇士"扰动的情况, 其重要性不难看出.除上述的简要分析, 这里还可指出其他二点, 有待进一步思考研究.其一根据Liemohn和Jazowski^[26]分析太阳活动23周(1996~2005年)90个磁暴, 源于CIR占11个, 源于ICME占79个之多, 后者又可分为磁鞘、磁云、喷射和复杂因素各占22、23、12和12个.但这统计, 仅限于中小磁暴 < 100nT.其二根据Gopalswamy等人的统计^[27], 17%行星际激波之后未再伴有其他扰动源, 但随太阳活动上升、最大和下降阶段, 此现象又各增加为15%、33%和52%.这可能与日面冕洞的"阻挡"等其他活动有关, 特别在太阳活动下降段中低纬度增多了冕洞; 也可能由于有些激波垂直于日地连线传播, 不能到达地球所致.