地磁活动中的尺度依赖性半球不对称性：aa指数的相位一致性和振幅变化

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Scale-dependent hemispheric asymmetry in geomagnetic activity: Phase coherence and amplitude variations in the aa index

　　

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  北半球和南半球的地理磁场（aa）成分在年时间和太阳周期时间尺度上仍然具有很强的相位一致性。
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  半球振幅的不对称性与尺度有关，而持续的相位差异则不存在。
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  南半球的年度波段振幅增强在统计上非常显著。
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  北半球的太阳周期振幅增强较弱，在主要随机化测试中不具有统计显著性。
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  即使在去除了线性贡献后，半球的相位一致性仍然很强。

引言

aa指数是最长且使用最广泛的地球磁场活动指数之一，自1868年以来，它通过两个大致位于对跖点的中纬度站点提供了几乎连续的记录（Mayaud, 1972, Mayaud, 1980）。由于其长度，aa序列在研究长期地球磁场变化、太阳周期调制和空间气候变化方面处于核心地位。

然而，传统的aa指数受到地球磁场长期不均匀性和站点灵敏度变化的影响。这些限制促使人们构建了一个更加均匀的aa指数（aaH），在其中应用了站点和时间依赖的校正措施以提高长期一致性（Lockwood et al., 2018a）。使用均匀的aa指数，Lockwood等人（2018b）证明了半球不对称性和春分点变化是aa记录的固有特征，而不是长期漂移的伪影。

地球磁场活动在太阳周期及更长的时间尺度上表现出显著的变化。先前的研究表明，aa指数包含与太阳周期和22年哈尔周期相关的不同成分（Takalo, 2021）。最近，Qvick等人（2025）利用均匀化的aa指数来描述和预测单个太阳周期内的地球磁场活动演变。这些研究强调了考虑地球磁场变化的时间尺度依赖性的重要性。

还报告了地球磁场活动在太阳赤道平面上的长期南北差异。Murayama和Nosaka（1991）通过研究地球日心经纬度的季节性变化，发现指数的南北不对称性表现出与11年和22年周期相关的长期变化。最近基于小波的研究考察了半球太阳活动与地球磁场指数在多个时间尺度上的关系，揭示了指数及其他地球磁场指数之间的周期性和相位一致性响应（El-Taher et al., 2025, El-Taher et al., 2026a）。然而，这些研究并未探讨均匀化指数的北半球和南半球成分在不同时间尺度上的相位和振幅关系是否存在具体差异。因此，目前尚不清楚地球磁场指数成分的半球不对称性在不同时间尺度上是否相似，或者其特征是否取决于时间尺度。

本研究的目的是量化地球磁场活动的半球不对称性作为时间尺度的函数。我们探讨了三个相关问题：（1）北半球和南半球的aa成分是否相位同步，（2）半球差异主要体现在相位还是振幅上，以及（3）年度波段和太阳周期波段之间的半球对比是否存在差异。为了解决这些问题，我们将小波一致性分析与带通滤波和希尔伯特变换振幅包络相结合。这种方法允许在依赖于尺度的框架内分别研究相位关系和振幅调制（Grinsted et al., 2004, Huang et al., 2008）。通过使用独立的子区间、块自助法置信区间和配对块随机化测试，评估了推断出的半球差异的稳健性和统计显著性。

章节片段

地球磁场数据

我们使用了Lockwood等人（2018a）提出的均匀aa指数的每日北半球和南半球成分（aaHN和aaHS），以校正地球磁场的长期变化和站点的长期响应变化（见图1）。Lockwood等人（2018b）进一步研究了均匀aa指数的半球特性，他们证明即使在均匀化处理后，半球不对称性仍然存在。

在本研究中，每日aaHN和aaHS序列

半球aa成分之间的相位一致性

小波一致性显示，在广泛的时间尺度上，aaHN和aaHS之间存在强烈的相位关系（见图2）。在太阳周期时间尺度（3000-5000天）内，一致性在整个记录中始终很高，相位箭头主要朝向右侧，表明两个半球成分之间的变化基本同相。在年度时间尺度（300-430天）内，一致性更为间歇性，并表现出局部下降，但没有持续的系统性

结论

我们使用1868-2017年间均匀化的aaHN和aaHS成分研究了地球磁场活动的半球不对称性。主要结论如下：

• 1.
  地球磁场的半球变化具有很强的相位同步性。 aaHN和aaHS之间的小波一致性在年度和太阳周期时间尺度上都很高，没有持续的系统性相位偏移。因此，半球差异主要体现在振幅上，而不是相位上。
• 振幅的不对称性与尺度

手稿准备过程中使用生成式AI的声明

在准备本手稿的过程中，作者使用了生成式AI工具（ChatGPT）来辅助语言编辑和文本结构化。所有的科学解释、结果和结论均由作者独立完成。

利益冲突声明

作者声明他没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者声明，这项工作没有接受任何特定的资助。

Takalo Jouni Juhani