地磁学第四章

地磁学第四章第1页，共24页，2023年，2月20日，星期一长期变化的基本特征：1、偶极子磁矩每年以0.05%的速度衰减；2、偶极子每年以0.05的速度沿经度方向向西进动；3、偶极子每年以0.02的速度沿纬度方向向北移动；4、非偶极子场每年以0.2的速度沿经度方向向西漂移；5、非偶极子场每年以10nT量级的速度增减；6、地磁场的长期变化本身每年约以0.3的速度向西漂移。其中偶极子磁矩的衰减和非偶极子场的西向漂移是地磁场长期变化最主要的两个全球性特征。磁矩减小、西漂和年变西漂是最主要的特征。主要问题，长期变化的原因和实际意义不清。第2页，共24页，2023年，2月20日，星期一

从伦敦、巴黎和罗马的资料可以推测，磁偏角的变化周期约为500年。此外，偶极子磁矩逐年也有微小的改变。长期变化的主要特征是：地磁要素的“西向漂移”，偶极子场和非偶极子场都有西向漂移。且偶极子磁矩的衰减和非偶极子场的西向漂移都具有全球性质。各大陆不同时期的地磁偏角和古纬度1、偶极子磁矩每年以0.05%的速度衰减。2、偶极子每年以0.05度的速度沿经度西进。3、偶极子每年以0.02度的速度沿纬度北漂。4、非偶极子每年以0.2度的速度沿经度西进。5、非偶极子每年以10纳特量级的速度增减。6、地磁场每年以0.3度的速度沿经度西进。主要问题，长期变化的原因和实际意义不清。※地球磁场长期变化特征:第3页，共24页，2023年，2月20日，星期一地磁场长期变化的研究一、偶极子磁矩的衰减二、西向漂移速度的计算１、高斯系数的西向漂移2、非偶极场的西向漂移3、非偶极子场的西向漂移速度第4页，共24页，2023年，2月20日，星期一长期变化的研究第5页，共24页，2023年，2月20日，星期一也可直接计算非偶极子磁场的长期变化来求得西向漂移速度。非偶极子磁场的长期变化可表示为 （3.3-3）其中第一项为非漂移部分，第二项是漂移部分，V是漂移速度。第6页，共24页，2023年，2月20日，星期一第7页，共24页，2023年，2月20日，星期一一些重要的参考文献：1、GlatzmairGA,RobertsPH.Rotationandmagnetismofearth’sinnercore.Science,1996,274:188718912、GlatzmairGA,RobertsPH.Simulatingthegeodynamo.ContemporaryPhys,1997,38(4):2692883、KuangW,BloxhamJ.Anearth-likenumericaldynamomodel.Nature,1997,389:3713744、安振昌,王月华.19002000年非偶极子磁场的全球变化.地球物理学报,1999,42(2):1691775、徐文耀《地球的电磁物理学》中国科技大学出版社6、傅承义等《地球物理学基础》科学出版社1985第8页，共24页，2023年，2月20日，星期一４.2地磁场的短期变化一、主要特征：１、平静变化和干扰变化２、周期变化和非周期变化３、起源于地球外部的电流体系第9页，共24页，2023年，2月20日，星期一——是指主要起源于固体地球外部的各种电流体系产生的磁场。按其变化特征可分为两类：（1）平静变化（日变化）

——连续出现的，比较有规律且有一定周期的变化。特点：●以24小时为周期的变化；短期变化的磁场第10页，共24页，2023年，2月20日，星期一白天变化大，夜间变化小；夏季变化大，冬季变化小；同一地点、不同日期，则日变化变化不相同；同一磁纬度的不同地点，日变化变化形态及幅度相同：同一地点，不同地磁要素受影响程度不一样。第11页，共24页，2023年，2月20日，星期一（2）扰动变化（粒子流扰动场DCF,环电流扰动场DR,地磁亚暴DP1,太阳扰日变化SD,极盖区磁扰DPC,地磁脉动P）

——偶然发生的、短暂而复杂的变化。强度大的磁扰动变化，称为“磁暴”。特点：变化剧烈（强度可达几百～上千nT）、无规律，持续时间为几小时～几天。第12页，共24页，2023年，2月20日，星期一二、分类：（一）平静变化：太阳日变化、太阴日变化１、以一天为周期，对每一个分量都有变化，一般为n-几十nT.2、白天变化大、晚上变化小，并有季节和纬度分布的变化。第13页，共24页，2023年，2月20日，星期一（二）干扰变化：磁暴、扰动和脉动（具体的有七种）一般分为粒子流扰动场DCF、环电流扰动场DR、地磁亚暴DP1、太阳扰日变化SD、极盖区磁扰DPC、地磁脉动P和地磁钩扰Cr。粒子流扰动场是依赖于世界时的持续时间约为1—6h的磁扰，扰动几乎是全球同时出现的，主要导致地磁场的水平分量增强。环电流扰动场是依赖于世界时的持续时间约为1—3天的磁扰，主要导致地磁场的水平分量减弱。地磁亚暴和太阳扰日变化主要是依赖于地方磁时的持续时间约为1—3h的海湾形磁扰，常称为湾扰极盖区磁扰是局限于极盖地区的复杂磁扰，扰动是经常性的，几乎每日每时都可以观察到这种扰动。地磁脉动是周期一般为0.2—1000s的各种短周期变化。地磁钩扰是一种只在白天发生的持续时间约为几十分钟的短促而较光滑的钩形磁扰。第14页，共24页，2023年，2月20日，星期一4.3太阳活动和太阳黑子一、太阳的相关知识1.太阳内部

太阳内部大致可分成三个区域：核心区、中间层和对流层。由日心向外到0.25R⊙（R⊙.是太阳半径）是核心区。其中发生氢核聚变为氦核的热核的反应，产生能量温度高达1.56×107k，物质密度高达158g.cm-3；从0.25R⊙到大约0.86R⊙的部分是中间层，温度由中间层的底部的8×106k降到顶部的5×105k，密度由20g·cm-3降到10-2g·cm-3，能量以辐射与散射形式外传；从中间层顶部开始进入对流层，向外径厚度约为0.14R⊙的以对流传能为主的对流层到达该层之顶端，温度从5×105k降至6.6×103k，密度从10-2g·cm-3到4×10-7g·cm-3，再往外就进入了太阳大气的底部。太阳黑子：温度较低的气体旋窝（4500度）2、太阳大气根据太阳大气物质密度的稀释情况及物理性质的变化，近似地把太阳大气由内向外分成三层：太阳光球层，太阳色球层和日冕层。光球层是太阳大气的底层，色球层居中，日冕层为最外层。光球的物质密度从其底部的4×10-7g·cm-3向外降至光球顶部8×10-8g·cm-3，色球层居中，密度由光球顶部的8×10-8g·cm-3降到色球顶部的10-14g·cm-3，日冕层则从10-14g·cm-3向外一直下降到行星际空间的极低的密度。第15页，共24页，2023年，2月20日，星期一3．太阳活动可以观测到的太阳活动主要发生在太阳大气的各层之中。在光球上出现的黑子和光斑，在色球中产生的耀斑、谱斑和日珥，在日冕中形成的日冕凝聚区等，成为主要的太阳活动现象。这些活动现象所在区域，称为太阳活动区或太阳活动中心。4、太阳及太阳活动与地磁场的关系：1）太阳是一个气态球体，本身具有磁场，太阳大气是等离子体，存在带电离子，在太阳磁场的作用下，可以形成电流场和新的磁场，并通过太阳活动将带电离子和磁场代入星际空间与地磁场相互作用；2）太阳自转周期约为27天，带来一些地磁场变化27天周期性；3）太阳黑子活动强烈与否与磁暴的强烈与否直接相关，并有11年的周期性；太阳活动向地球或星际空间喷射/辐射带电离子体；4）太阳活动可分为粒子辐射和光辐射；称为K变化和非“K‘变化。K变化：太阳辐射的高速等离子体达到地面与地磁场相互作用而产生变化磁场，引起干扰；非K变化：是太阳紫外辐射是地球大气层电离，电离层在地磁场中运动产生附加磁场，引起平静变化。第16页，共24页，2023年，2月20日，星期一StudyPeelsBackMoreoftheMagneticSun

byPhilBerardellionMarch12,201012:2Researchershavediscoveredthatoneofthemysteriousforcesthatsweepthesun'ssurfaceshowsanunexpectedlystrongconnectionwiththenumberofsunspots,magneticdisturbancesthatcanaffectEarth'sweatherandtelecommunications.Thefindingsshouldimprovepredictionsofthesun'sdynamicsandmightevenhelpscientistsdevelopbetterclimatemodels.Alongwithheatandlight,thesunemitsx-raysandmagneticallychargedparticlesthatcanendangerastronauts,frycircuitsaboardsatellitesorbitingEarth,andoverloadelectricpowerlinesontheground.Becauseofthosepotentialthreats,forseveraldecadesscientistshavebeenexaminingthesun'smagneticbehavior,particularlywhatdrivesits11-yearsunspotcycle,whichatitspeakgeneratesdozensofthemagneticdisturbancesadayandcangiverisetogiganticstorms,someof第17页，共24页，2023年，2月20日，星期一whichsweeppastEarth.Onecuriousaspectofthesolarcycleismeridionalflow,whichactslikeaconveyorbeltcarryingmagnetismtothesun'spoles.Scientistshaven'tbeenabletomodelitaccuratelyordeterminehowitmightbeconnectedtothesunspotcycle.SolarscientistsDavidHathawayofNASA'sMarshallSpaceFlightCenterinHuntsville,Alabama,andLisaRightmireoftheUniversityofMemphisinTennesseesetouttodeterminehowmeridionalflowcorrelateswithvariationsinthesunspotcycle.UsingdatacollectedbytheSolarandHeliosphericObservatory(SOHO),aspacecraftlaunchedjointlybyNASAandtheEuropeanSpaceAgency,thetwoscientiststrackedthemotionofsmallzonesofmagnetismonthesun'ssurfacecarriedpolewardbymeridionalflow.TheyusedSOHOdatacollectedevery8hoursfromnearlyallofthemostrecentsunspotcycle,whichendedinDecember2009.(ThedataherewentuntilJune2009.)Thoseobservationsrevealedthatasthenumberofsunspotsdeclined,themeridionalflowdidtheopposite.Itsaveragespeedincreasedfromabout30kilometersperhouratthepeakofthesolarcycle,in2000and2001,toover47kmperhourin2008and2009,afterthesolarcycleshouldhaveendedbutwasstilllingering.HathawayandRightmirereporttheirfindingsintoday'sissueofScience.Butknowingthatthemeridionalflowcorrelateswiththenumberofsunspots—andmayevenbedrivingthem—doesn'tsolveeverymysteryhere.Forexample,thissolarcyclelastedlongerthannormal,andthemeridionalflowspedupunexpectedlytowardtheend—whythishappenedremainsa"bigunknown,"saysHathaway.Studyingtheflowinearliersunspotcyclesmighthelpusunderstandthat,althoughthosedataaremuchlessdetailedthanthosefromSOHO."We'regettinginformationthatcantestourideasabouthowthesunspotcycleworks,"sayssolarphysicistNeilSheeleyoftheU.S.NavalResearchLaboratoryinWashington,D.C.Thefindingsshouldalsohelpclimatescientistsrefinetheirlong-termmodels,sayssolarphysicistPhilipJudgeoftheNationalCenterforAtmosphericResearchinBoulder,Colorado.Althoughourunderstandingofmeridionalflowremains"crude,"hesays,thestudyimprovestheabilitytomeasureit,andthiscouldhelprefinethesun'sinfluenceonlong-termclimatemodels.That'simportant,Judgesays,becausetheflowisconnectedtothesolarcycle,andthecycleishelpingtodriveshiftsinclimate.第18页，共24页，2023年，2月20日，星期一第19页，共24页，2023年，2月20日，星期一4.4地磁指数和国际地磁静扰日一、定义：1、用来描述变化磁场干扰程度的度