地磁场的漂移运动和强度变化

在修正了Briggs提出的移动变形图案相关分析法基础上,对全球非偶极子磁场以及6个行星尺度磁异常区的漂移特性和强度变化进行了研究.结果表明,在1900-2000年期间,全球非偶极子磁场以0.15°/a的平均速度向西漂移,强度累计增长了29%;6个行星尺度异常区的西漂运动存在明显差异,其中漂移最快的是赤道附近的非洲异常,平均西漂速度为0.26°/a,其次是南半球的澳大利亚异常(0.23°/a),最慢的是欧亚异常(0.09°/a).除西漂外,大多数异常区还有较小的北向漂移.在1940-1955年期间北半球的欧亚、北美和北大西洋3个异常区以及赤道地区的非洲异常几乎同时由西漂或西南漂转为西北向漂移;紧接着,南半球的南大西洋和澳大利亚两个异常区的漂移特征也发生明显变化,主要是漂移明显减慢,而不是漂移方向的转折.在6个异常区中,澳大利亚、南大西洋、非洲和欧亚4个异常区的强度有明显增加,而北美和北大西洋两个异常区的强度则显示了减小的趋势.     

1900-2000年非偶极子磁场的全球变化

根据第７代ＩＧＲＦ模型,计算并绘制了１９００-２０００年（时间间隔为５ａ）非偶极子磁场的全球分布,计算和分析了各个磁异常中心位置和强度的变化,东亚正磁异常、大洋洲负磁异常、南大西洋正磁异常、非洲负磁异常和北美洲正磁异常是分布范围广、异常强度大的５个磁异常。南大西洋正磁异常是强度最大的磁异常。在２０世纪９０年代以前,东亚正磁异常的强度位居第２位,９０年代以后,非洲负磁异常的强度（绝对值）超过东亚正磁异常,成为第２大磁异常。磁异常强度增长最快的是非洲负磁异常、南大西洋正磁异常和大洋洲负磁异常。南大西洋正磁异常和非洲负磁异常是磁异常中心位置变化最快的两个磁异常。     

1980-2010地磁场的变化

利用第11代IGRF模型,研究了1980-2010年期间的地球主磁场的变化特性,其中包括偶极子磁场、非偶极子磁场、西向漂移和非偶极磁场强度.结果显示1980-2010年30年期间,非偶极子磁场异常中,南大西洋正磁异常、非洲负磁异常、大洋洲负磁异常、北美正磁异常区域西漂现象任然存在,而东亚正磁异常区域具有一定的东向漂移趋势.异常区除了存在西漂之外,其强度也在不断变化的,2010年南大西洋正磁异常Z分量大小相比1900年增加了41.2%,1980年以来以73.8 nT/yr的速度增长,相比上个世纪速度在增加.非洲负磁异常增加了59.4%,1980年以来以48.0 nT/yr的速度增长.这个增长速度低于上个世纪平均增长速度(64.9 nT/yr).东亚正磁异常增加了21.6%,近三十年以11.67 nT/yr的速度增加.大洋洲负磁异常110年增加了58%,并且现在还以41.3 nT/yr的速度增长.而北美正磁异常减少了40.7%,并且有减弱的越来越快的趋势,110年来平均减小的速度为30.2 nT/yr,而近三十年以49.46 nT/yr的速度减弱.     

地球非偶极磁场对虚地磁极计算的影响

古地磁学使用的虚地磁极（VGP）是在地心偶极磁场假设下计算的,由于地球非偶极磁场的存在，VGP一般不同于真地磁极（RGP）.为了定量检验非偶极磁场对VGP的影响，本文利用国际参考地磁场模型IGRF 1900～2000，在全球5°×5°的“虚拟测点”网格上计算了VGP和RGP的位置，并求出两种磁极的经纬度偏差和二者的角距离.结果表明，南极地区VGP与GP的角距离最大，可达26°，南大西洋和欧亚大陆北部最大达到24°和18°，其余地区一般小于15°.VGP对RGP的偏差与地磁场分布有关：在非偶极磁场较弱的地区（如太平洋半球），纬度偏差一般不大（≤10°），但是在主要地磁异常区（如南大西洋和南极地区），VGP对RGP的纬度偏差可达25°.VGP对RGP的经度偏差要比纬度偏差大得多，例如在欧亚大陆北部地区，经度偏差分布在-180°到180°的大范围内.     

行星尺度地磁异常的长期变化

为了综合反映地球表面行星尺度磁异常的展布面积、磁场极值以及磁场分布特征等多种因素及其与磁能的关系，本文用穿过各异常区的“无符号磁通量”为特征参数来表征磁异常区强度.用第八代国际参考地磁场模型(IGRF)，分析了1900年到2000年全球最大的5个磁异常区的长期变化，结果表明，在一百年中，南大西洋(SAT)、大洋洲(AUS)和非洲(AF)3个异常区的磁通量均增加了200MWb以上，欧亚异常(EA)磁通量增加幅度稍小(157MWb)，上述4个异常区磁通量增幅为30%-60%，而北美异常(NAM)的磁通量则减小了50MWb.各异常区面积虽有变化，但最大变化仅为%左右.对磁异常区的西向漂移研究表明，地球表面和核幔界面的西漂明显存在差异：地表磁场有持续而稳定的西向漂移，全球平均西漂速度为0.2°/a；但核幔界面磁场的西向漂移速度要小得多，最大不超过0.1°/a.形成这种差异的原因可能是组成地磁场的不同球谐分量有不同的漂移速度；地表磁场的西漂主要决定于占优势的低阶分量，而核幔界面的西漂则受到高阶分量的重大影响.本文指出，在把地表西漂值用作地核磁流体运动速度的典型值时必须十分谨慎.     

主磁场梯度的空间分布和长期变化特征

根据GUFM1和IGRF11模型,计算1590—2010年主磁场总强度F、水平分量H和磁倾角I三个要素的水平梯度和垂直梯度,分析了它们的空间分布和长期变化特点.结果表明:F和H的垂直梯度与其磁场的空间分布类似,水平方向的梯度以及磁倾角I在3个方向的梯度都与其磁场分布有明显差异.H的3个方向的梯度分布清楚地指示出南磁极的位置.梯度的长期变化表明,北半球磁场梯度漂移缓慢,南半球磁场梯度变化较快.磁倾角的垂直梯度显示,中太平洋负异常周围的正异常在围绕该负异常旋转.近赤道的梯度异常带在60°W附近的转折是由印度洋异常向非洲方向移动所致.     

行星际磁场对极尖区位形变化的统计研究

利用Cluster卫星数据,选取2001—2010年期间的616个极尖区穿越事件,研究了行星际磁场（IMF）的大小和方向对极尖区位形的影响.结果表明：当B_z为北向时,随着B_x负向的增大,极尖区的磁不变纬度向高纬方向（极区）移动;当B_z为南向时,随着B_x负向增大,极尖区的磁不变纬度略微向低纬度方向（赤道）移动.B_x正向增大时,极尖区并没有明显移动.B_x对极尖区影响在南半球较为显著,在北半球没有明显规律性变化.此外,随着行星际磁场锥角的增大（>90°）,极尖区也随之向高纬移动.当B_z南向时,随着B_y的负向增大,极尖区在北半球向晨侧移动,在南半球向昏侧移动.而当B_z南向增加时,南北半球两个极尖区的磁不变纬度都朝赤道方向移动;但北向B_z时几乎没有移动.     

带电粒子在磁场中的运动区及其模型实验

本文讨论了带电粒子在电磁场中的运动区域.在计算过程中假定磁场是有势的,并且势函数分别考虑为轴对称与平面函数.计算结果表明:当磁场足够强时,粒子运动区的边界与磁力线是相似的.这个结果表明,我们可以根据磁力线图形确定带电粒子的运动区.此外,还将上述计算结果与模型实验做了对此,在磁场中的辉光放电实验里,放电中的辉光区部分相当于粒子的运动区,暗区部分相当于粒子禁区.对比结果表明,辉光区的边界与磁力线相似,其中有以下几个结果:（1）当磁场是一个偶极磁场,并且其磁短的大小大于其临界值时,则放电辉光将被捕获于偶极磁场中,其边界近似于磁力线;（2）当偶极磁场受到扰动时,设扰动场分别考虑为与赤道面上的偶极磁场方向相反的均匀磁场,以及位于捕获区之外在赤道面上的电流环磁场时,则偶极磁场磁力线将向外伸长,实验观测到被捕获于偶极磁场中的辉光将同时伸长,并且辉光区边界的变化与磁力线的变化是相似的;（3）根据中性线磁场中的辉光放电实验表明,辉光区的边界仍然与中性楱磁场的磁力线相似.由于气体放电中的现象比较复杂,因此要进行定量的计算是比较困难的,为此我们引进了一些简化假定,定量计算了辉光区在上进各种磁场中的边界,计算出来的辉光边界的大小和形状与实验结果是相同的.     

CHAMP卫星主磁场长期变化和长期加速度的分布特征

本文利用CHAMP卫星磁测资料建立的新一代地磁场模型POMME-4.2S,分析了全球和中国地区地磁长期变化X、Y、Z、H、F、J、D 7个分量以及长期加速度X、Y、Z3个分量的分布特征,比较了POMME-4.2S长期变化模型与中国长期变模型CGRF-SV的磁异常分布差异.主要结果表明,地磁长期变化磁四极子起主要贡献,长期加速度变化磁八极子贡献最大.2004.0年全球长期变化的减小要比增加大得多,地磁场总体在减弱.长期加速度在中低纬度地区变化较大,高纬度地区变化小.Z和Y分量磁异常沿经度方向正、负交错形成几个大片区,X分量主要正负磁异常成对分布于赤道两侧.长期加速度X、Y、Z3个分量的磁异常分布存在明显的关系:在Z异常焦点的南北两边出现X的异常焦点,东西两边出现Y的异常焦点.中国地区的长期变化和长期加速度变化量小,分布相对均匀.     

长春地磁台地磁场长期变化基本特征

长春地磁台从1957年开始进行正规地磁观测至今,地磁场的长期变化已完成了一个完整的下降、转折、上升的变化周期,这种长期变化是偶极场与非偶极场变化的叠加,以非偶极场变化为主体,并受东亚大陆磁异常场源强度及方向变化的控制和影响。     

1900-2000年地球主磁场的本征模分析

利用1900-2000年国际参考地磁场模型（IGRF）,对地球主磁场的空间结构和长期变化进行了自然正交分量分析,得到了组成地磁场的主要成分（本征模）及其随时间的长期变化（SV）．第一本征模描述主磁场稳定结构的总体特征,其强度随时间单调减小;第二本征模主要描述印度洋和南大西洋地区正异常特征,其强度也随时间单调变化;第三本征模对应于加勒比地区正异常,其强度呈100a周期的变化,目前正处于下降阶段;第四本征模的主要特点是北美正异常和南亚负异常,其强度呈80a周期的变化;第五本征模对应尺度较小的局部磁异常,其强度的变化周期约60a;第六及其以后的本征模则对应空间尺度更小和时间变化更快的磁异常．分析表明,太平洋地区的磁场经历着缓慢的单调减小变化,其结构比较稳定,几乎完全包括在第一本征模中．但是,印度洋磁场结构较复杂,它是由空间结构不同和变化周期各异的多个本征模组成的．大西洋的北部、中部和南部分属不同本征模,它们有完全不同的时间变化特性．     

磁赤道处化极方法

化向地磁极(化极)是最基本的磁测资料处理方法之一,化极能消除或减少斜磁化影响,提高对磁测资料的认识程度和解释水平,对研究地壳产生的磁异常具有重要意义.但低纬度地区特别是磁赤道处,化极处理很不稳定甚至奇异,一直是位场研究的难点.针对地磁纬度较低特别是磁赤道地区磁异常化极的困难,利用从磁北极处垂直磁化向低纬度地区水平磁化方向转换稳定的特点,提出"狭义化赤"概念,并将其与低纬度磁异常"倒相"解释方法结合,提出专门用于磁赤道处化极的方法.该方法扩展了现有的化极理论,实现了磁赤道处的稳定化极.区别于目前任何方法,专门用于(近)水平磁化条件下的化极计算,具有原理简单,实现方便,收敛速度快等特点.对理论模型和实际资料计算表明这种针对磁赤道地区磁异常的化极处理方法是稳定、可靠的.     

Sensitivity of cosmic ray trajectory calculations to geomagnetic field model representations

Cosmic ray vertical cutoff rigidities at sea level have been calculated, using the trajectory-tracing method, for a number of different epochs. These calculations have been carried out for a world-wide grid of locations, and, in an effort to locate the cosmic ray equator, for a fine grid in the equatorial region. Comparison of the vertical cutoff rigidity values obtained using the International Geomagnetic Reference Field model for 1980.0 with those obtained from previous models shows systematic significant changes in the Atlantic Ocean region and over South America. The differences are greater than those predicted utilizing the older field models with their predicted secular change. The cutoff rigidity values calculated using the new IGRF 1980.0 field model appear to be in better agreement with data from cosmic ray latitude surveys in the Atlantic Ocean region. The changes in the cosmic ray equator are asymmetrical with essentially no changes in the equator position in the Asian and Pacific region, but with significant changes in the South American, Atlantic Ocean and West African regions. Calculations have also been undertaken for different directions of arrival for a satellite orbiting at 400 km altitude using the predicted 1980 field model and the interim 1980 field model adopted in 1981. Some differences have been found.     

用曲面Spline方法表示1900～1936年中国(部分地区)地磁场及其长期变化的分布

根据19360年426个地磁测点和28个IGRF计算的地磁数据,计算地磁场和地磁异常场各个分量的曲面Spline模型,并绘制相应的地磁图和地磁异常图.依据我国部分地区的1909～1915,1915～1920,1920～1930,1930～1936年间地磁偏角长期变化图,1908～1917,1917～1922,1922～1936年间水平强度长期变化图和1908～1922,1922～1936年间垂直强度长期变化图,使用曲面Spline方法,分别计算上述9个时间段的磁偏角（D）、水平强度（H）和垂直强度（Z）长期变化的曲面Spline模型,并绘制相应的长期变化图.根据这些长期变化模型,将19360年426个点的三分量绝对值数据归算至1940,1930,1920,1910年和1900年,从而为计算这5个年代的地磁场模型奠定了坚实的基础.     

Modelling the effects of changes in the Earth's magnetic field from 1957 to 1997 on the ionospheric hmF2 and foF2 parameters

We have modelled the effects of changes in the Earth's magnetic field on the ionosphere as have occurred from 1957 to 1997 using the NCAR Thermosphere–Ionosphere–Electrodynamics General Circulation Model. Previous studies that attempted to quantify these effects used a constant wind field, so that any electro-dynamical coupling processes could not be accounted for. Using TIE-GCM we can account for these processes. We find substantial changes in the F2 layer peak height hmF2 (up to ±20 km) and critical frequency foF2 (up to ±0.5 MHz) over the Atlantic Ocean and South America, purely due to changes in the Earth's magnetic field (i.e. unrelated to greenhouse gas cooling effects, which are often held responsible for long-term trends in hmf2 and fof2). These would make up a significant contribution to observed long-term trends in these areas and therefore must be taken into account in their interpretation. Modelled trends of hmF2 and foF2 exhibit a strong seasonal and diurnal variation, highlighting the importance of separating data with respect to season and local time. Most of the modelled changes in hmF2 and foF2 can be related to changes in plasma transport up or down magnetic field lines driven by neutral winds, changes, which are mostly caused by changes in the inclination of the field, though changes in declination and neutral wind also play a role. Changes in the vertical component of the E×B drift seem to have little effect on hmF2 and foF2.     

中国地磁台观测的2014年地磁急变

地磁急变（jerk）是起源于地球外核并在导电地幔过滤效应后在地球表面观测到的一种地磁现象,其反映了地核内部某些动力学过程.Jerks在空间范围上既可以是区域性的,也可以是全球性的.中国地区地磁台能否检测到2014年jerk？针对这一问题,利用中国大陆10个地磁台的磁静日月均值和CHAOS-6全球磁场模型,分析了X、Y和Z分量2008—2018年期间的长期变化,估算了2014年前、后的长期加速度值,确定了2014年地磁jerk的时间和强度.研究表明中国地磁台Y分量的长期变化为"Λ"型,Z分量存在明显的"V"型,具有典型的jerk特点.Y分量jerk出现的时间大约在2014年6月,比非洲大陆的Algeria TAM台和南美洲French Guiana KOU台时间滞后大约4个月.这暗示着产生jerks的地核流体波动的时序特点.中国西部和东北部地磁台的长期变化形态有明显的差别,主要由非偶极磁场引起.CHAOS-6模型与地面台站的长期变化形态并非始终一致.本文结果有助于更好地理解和解释长期变化的时间演变和地理分布,并为深入探讨jerks的地核起源和驱动机制提供新的观测约束.