地球主磁場的空間結(jié)構(gòu)特點和其長期變化

1、地球主磁場的空間結(jié)構(gòu)特點和其長期變化第一節(jié) 主磁場空間分布的一般特點第二節(jié) 主磁場的球諧分析第三節(jié) 主磁場的多極子表示 第四節(jié) 主磁場模型和地磁坐標系 第五節(jié) 國際參考地磁場 第六節(jié) 主磁場的長期變化 第七節(jié) 主磁場的西向漂移 第八節(jié) 主磁場的極性倒轉(zhuǎn)和古地磁2.1 主磁場空間分布的一般特點一、主磁場的物理定義和工作定義物理定義：地核產(chǎn)生的磁場物理上嚴格合理，但實際上不適用（地殼場難分離） 工作定義：把實際磁測資料在一定空間范圍內(nèi)（通常為100萬平方公里）進行平均，以消除小尺度局部地磁異常場（地殼場）。對不同時間的磁測資料進行通化和平均，以消除外源變化磁場和長期變的影響，最后，歸算到某一特定的

2、時刻雖然物理上不嚴格，數(shù)值上不精確，但適用。二、主磁場空間分布表示方法 表格：詳細記錄原始，通化數(shù)據(jù)，測量時 間地點等信息 圖形：可直觀表達空間結(jié)構(gòu)和時間變化 函數(shù)球諧級數(shù) 矩諧函數(shù) 柱諧函數(shù) 泰勒多項式及其他多項式 雙調(diào)和函數(shù) 樣條函數(shù) 方便計算，物理分析，建模等三. 主磁場的空間譜 地磁場的能譜 n=13-15處譜分布發(fā)生突然轉(zhuǎn)折，暗示磁場起源的不同波數(shù)和波長階數(shù)越高，空間尺度越小，能量也越小非偶極磁場Z等值線和水平矢量正異常(紅): 水平磁場指向正異常中心(NAM,ERA,SAO)負異常(綠): 水平磁場由負異常向外發(fā)散(AFR,AUS)2.2 主磁場的球諧分析一、主磁場方程無自由電流，

3、位移電流可忽略磁場無旋用分離變量法解要求上式對任意 r 和 ， 都成立，兩項都必須等于常數(shù)，即 將偏微方程含多變量的項分離，從而將原方程拆分成多個只含一個自變量的常微方程，求出各個方程的通解后，組合這些通解，得到原偏微方程的解。要求上式對任意， 都成立，兩項都必須等于常數(shù)，即sin2 (1) (2) (3)(2)式為二階常系數(shù)齊次微分方程，其通解為：其中C1, C2 為待定系數(shù)。由于02是一個周期邊條件，而磁標勢在所考慮區(qū)域為單值，即|=0= |=2 ，因此， 必須取整數(shù)。令 =m2，m=0,1,2，那么(2)式的通解為：而(1)式可變形為：這是一個關(guān)于cos 的締合勒讓德方程。由于=0 和=

4、 (即 z=1)處磁標勢必須有限，因此只能取n(n+1) , 其中n必須為零和正整數(shù)，且nm。那么(1)式對應的解為 n 階 m 次締合勒讓德函數(shù)：勒讓德函數(shù)對于(3)式, 容易看出當 =n(n+1) 時，其兩個獨立解為 將以上得到的解組合、迭加起來即得到拉普拉斯方程的通解，其中的 為待定系數(shù) 為了使n相同而m不同的各個高斯系數(shù)在量級上相近,地磁學中習慣采用施密特形式的歸一化處理方法。即令：并將其稱為施密特形式的締合勒讓德函數(shù)。 于是，磁標勢的通解，可改寫為 其中通解中r-(n+1) 和 rn 兩部分代表了地球內(nèi)部、外部場源對總磁勢的貢獻，即U=Ui +Ue因 n=0, 且m=0時， 。外源場

5、為 這是磁單極的磁勢，但磁單極不存在，因此 。而內(nèi)源場為與 r無關(guān)，取為零。 另外，為了使高斯系數(shù)和磁感應強度有相同的單位，以便用內(nèi)外場系數(shù)之比來比較內(nèi)外場強，習慣上還把上式的系數(shù)進行改寫為:這些系數(shù)統(tǒng)稱為高斯系數(shù)或球諧系數(shù)。二. 拉普拉斯方程的解球諧級數(shù)內(nèi)源場：外源場：相應內(nèi)源場的地磁場分量為：勒讓德函數(shù)遞推公式n-m=偶數(shù)，對稱于赤道n-m=奇數(shù)，反對稱于赤道球面諧函數(shù)的例子，其中 m=0為帶諧函數(shù)m=n為瓣諧函數(shù)mn為田諧函數(shù)三. 內(nèi)外源磁場的分離(實際應用)由實測磁場資料求內(nèi)外源場=確定高斯系數(shù)。但是，實測資料是磁場各分量，而不是磁位內(nèi)外源磁場分量內(nèi)外場合并得線性方程組已知, 是地面(

6、r=a)的地磁三分量觀測值待求Z分量不可缺！X或Y分量Z分量內(nèi)外源場分離的結(jié)果內(nèi)源場 偶極子場占優(yōu)勢 非偶極子場不可忽略非磁偶極子的貢獻（南北不對稱）北半球南半球內(nèi)外源場分離的結(jié)果外源場早期結(jié)果：100-300 nT，外場不沿偶極軸方向不可靠。近代探測：在磁靜條件下，磁層頂、磁尾、環(huán)電流等電流 體系所產(chǎn)生的外源場約為10-40 nT，方向基本 沿著偶極軸方向。MAGSAT： 20 nT左右確定外源場的可信資料?？臻g電流隨時間變化可在地球內(nèi)部產(chǎn)生感應電流。該感應電流對內(nèi)源場也有貢獻，所以內(nèi)源場的高斯系數(shù)=常數(shù)地核場與一個感應外部場的和 外源場高斯系數(shù)與Dst指數(shù)的回歸關(guān)系：四、有旋場存在嗎？地磁

7、分析結(jié)果：最大垂直電流 （極區(qū)向上，赤道區(qū)向下）地球-大氣電流實測結(jié)果:向下電流它產(chǎn)生的磁場極限估計：即使電流達到磁場僅為有旋=有電流2.3 磁場的多極子表示 點磁荷系統(tǒng)的磁位點電荷q的電位點電荷系統(tǒng)的電位函數(shù)的泰勒展開符號“tr”表示對上式兩個矩陣按普通矩陣乘法相乘后，對得到的3階方陣求矩陣的跡(n階方陣A的主對角線上各元素之和稱為A的跡)。兩個矩陣可分別表為并矢（張量）而張量的兩次點乘就是張量一次點乘(普通矩陣乘法)后求張量的跡。即q=2項可表示為將泰勒展開應用到函數(shù)1/R, 即四極子磁矩偶極磁矩總磁荷（=0）四極子磁矩偶極磁矩總磁荷（=0）總磁位可表示為不同磁矩對總磁位貢獻之和。小區(qū)域內(nèi)

8、磁荷體系所產(chǎn)生的總磁位可表示為位于原點的多極子磁位之和。偶極子磁場 負磁荷到正磁荷的距離矢量偶極子及磁力線即偶極子磁位為:在地理坐標系中 偶極子磁矩矢量,l 為負磁荷到正磁荷的距離矢量n=1球諧函數(shù)rpxyz偶極子沿Z軸分量 沿X軸的分量 沿Y 軸的分量 的計算結(jié)果表明， 因此磁偶極子基本沿著地軸，其方向指向南極。偶極磁場偶極磁矩地磁極(geomagnetic poles, dipole poles): 地心偶極子的軸稱為地磁軸，它與地面的交點稱為地磁極。位置較穩(wěn)定。磁極(magnetic poles, dip poles)： 實際磁測確定的水平磁場分量為零、磁傾角為90度的點。其磁經(jīng)線是指南

9、針的方向追蹤得到的軌跡線，匯集于磁極。位置受空間電流系變化的影響，在磁擾較平靜期間其平均位置在一天中運動軌跡近似橢圓，變化范圍可達80km，而在磁擾強烈期間，磁極變化很不規(guī)則。地磁極位置北地磁極1900年位于 ooW) 2005年位于 ooW) 地磁極的偶極子軸垂直地面，在極點X,Y=0，利用偶極磁場的表達式即可得到地磁極的地理座標 ：利用不同年代主磁場球諧系數(shù)，可求得偶極子軸與自轉(zhuǎn)軸的夾角，如1900年為11.4, 2005年為度。磁四極子兩個距離很近，磁矩大小相等，但方向相反的磁偶極子構(gòu)成一個磁四極子。四極子有兩個相互垂直或平行的軸（l，h），其中一個軸(l)與偶極子軸相同，另一個軸(h)

10、從一個偶極子指向另一個偶極子。四極子磁矩這是一個跡（即斜對角線的元素之和）等于零的對稱二階張量，因此M2矩陣中的九個元素中，只有五個是獨立的。四極子（二階張量）9種組合，5個獨立(a)(b)(c)(d)(e) (f)(g)(h)(I)八極子(三階張量) 27種組合，7個獨立八極子3個例子2.4 主磁場模型和地磁坐標系 地心共軸偶極子模型適用于近地區(qū)域 地心傾斜偶極子模型適用于近地區(qū)域 偏心偶極子模型適用于近地區(qū)域 地心磁層坐標系描述磁層磁場 不同場合，對主磁場做近似程度不同的描述，這相當于球諧級數(shù)取不同的截斷水平Nmax，于是產(chǎn)生了許多地磁場模型：一、最簡單、最基本的模型和坐標系地心共軸偶極模

11、型和坐標系磁心=地心偶極軸=地球自轉(zhuǎn)軸地磁極=地理極地磁經(jīng)緯度=地理經(jīng)緯度磁位和磁場分量赤道處的磁場北極處的磁場重要公式 磁傾角(總矢量與地面的夾角) 磁力線(磁力線切線方向=磁場方向)磁力線與赤道交點的地心距(Re)共軛點之間磁力線長度二、地心傾斜偶極坐標系地磁零經(jīng)度線地磁零經(jīng)度線：連接地磁北極，地理南極，地磁南極的弧線偶極坐標與地理坐標的比較球面三角 球面R上任意三點可構(gòu)成一個球面三角形ABC，三條邊均為半徑為R的圓弧。若圓弧所對應的圓心角分別為 以半徑R為弧長度量單位，即： ，那么三弧長的長度分別為： 根據(jù)球面三角形定理有：球面三角形的夾角 正弦定理 余弦定理 偶極坐標與地理坐標的換算地

12、 磁 時 在研究高緯度地磁現(xiàn)象時，通常要考慮太陽相對地磁場的方向。由于地心傾斜偶極軸與地軸不重合，因此磁地方時不等于地理地方時。定義：當測點所在地磁經(jīng)線通過日下點時，測點的磁地方時為正午，即 tm=12h=180o, 而相差180o, 的地磁經(jīng)線位于地磁子夜， tm=0h=0o。地理地方時和磁地方時的換算磁地方時 tm 與地理地方時的 換算公式地方時 t 與世界時 T 的關(guān)系為：t =+T, 所以可得磁地方時與世界時的換算關(guān)系： 地理地方時隨地理經(jīng)度均勻變化，但地磁地方時隨經(jīng)度 呈不均勻變化。一般情況下，測點從磁正午移到磁子夜 的時間長于從磁子夜移到磁正午的時間。 緯度越高，地磁時與地方時的差

13、別越大。不均勻的地磁時三、偏心偶極坐標系軸極傾角極原因：主磁場與偶極場有大的偏離，地磁極與磁極相距幾百公里，南北磁極不對稱，磁赤道偏離地磁赤道等。偏心偶極子模型：通過對共軸偶極子的旋轉(zhuǎn)和平移建立地磁場模型，相應的坐標系稱為偏心偶極子坐標系。偏心偶極子模型的特點: (1)偶極子偏離地心，磁心從地心向太平洋關(guān)島 方向偏移;(2)偶極分量最大，其它分量最小;(3)磁位及磁心位置可由先前得到的球諧系數(shù)表 達；(4)偏心偶極子坐標系有磁軸與地面相交的磁極 (magnetic poles)，和磁力線與地面垂直的傾 角極(dip poles)；(5)經(jīng)緯度不是均勻網(wǎng)格四、傾角坐標系描述實測地磁場的空間分布的一種坐標系。磁傾角=90o的點稱為北/南傾角極，磁傾角=0o的點構(gòu)成傾角赤道。五、 B-L坐標 用磁場強度B和磁力線與赤道面交點的地心距L(Re)定義的磁力線空間坐標系。這種坐標系不正交，但L相同的磁力線形成一個圍繞地球的磁殼(所以L也稱為磁殼參數(shù))，反映實際地磁場中粒子的漂移面在赤道上離地心的平均距離。許多地磁和粒子現(xiàn)象在B-L坐標系中可以更好地描述其規(guī)律性。六、常用的磁層坐標系 (a)地心太陽黃道坐標系GSE（Geocentric Solar Ecliptic system) X軸從地心指向太陽，Z軸垂直黃道面向北為正，Y軸指向昏側(cè)