对地磁发电机理论的反思与天体磁场研究展望

由地球磁场的基本特征和电磁场理论,证明了流体外核不可能产生偶极磁场,地磁发电机理论对偶极磁场是无效的.并对地球和天体磁场的研究方向和方法进行了展望:偶极场与核心部分的自组织结构有关,多极子场与外部各层的组织结构或运动状态有关.     

地球失磁与地磁极性倒转的探讨

在地磁成因的磁核观点基础上,探讨了地球失磁与地磁极性倒转的可能原因,地球失磁可能是内核温度升高造成的。地磁极性倒转发生在地球失磁之后,当内核温度降低至居里点以下时,磁核将重新形成,其方向取决于最核心的磁粒,磁粒的磁场方向,取决于磁粒由顺磁质向铁磁质转变的一瞬间,外部磁化力的合方向,这个方向可能是正的也可能是反的,则地磁极性可能不变或倒转。     

地球内核超速自转的物理机制

根据地球液态外核的对流结构提出一种物理机制，求解释地震学所推断的地球固体内核超速自转的现象。外核中物质对流和发电机效应的数值计算表明，内核的相切柱体内温度偏高。我们证明这种温差会在圆柱体内产生一种超速自转的热风和一种很强的方位磁场。由感应方位磁场和北景极型磁场可导出作用于内核的转矩，当内核的角速度相对于附近相切柱体内流体的角速度，大约滞后１４％时，作用于内核的转矩达到平衡。所推断的内核的超速自转（     

地球内核对地磁场涨落和倒转的影响

考虑到内地核较小(其半径为外核的1/3),许多地球发电机模型将内核完全忽略(Hollerbach et al.,1992),要不然就将其处理为不导电的绝缘体(Zhangand Busse,1990;Glatzmaier and Roberts,待出版)。在我们以前的稳态模型(Hollerbach and Jones,1993)中,曾考虑了有限导电内地核的某些效应,尤其是引起内外核之间的电磁耦合效应。本文中,我们包括了一种规定的浮力,从地球物理学的观点讲,这样更加现实,而且所得到的解与时间有关,而不再是与时间无关。在有限导电的内核中的磁场不再是瞬间地调整到外核中的场值,而是有一个它自己固有的几千年的扩散时间尺度。从而外核中较大一些、快一些的地磁涨落有效地被内核平均掉了,产生了相对稳定的外部偶极磁场。我们推测地磁场倒转的发生只能是一次特大的磁场涨落的结果,其幅度足够大,持续时间足够长,使得磁场在整个内核中也发生倒转。     

剩磁影响下磁性体磁化方向估计的一种简单算法

磁测资料处理解释通常需要已知场源的磁化方向信息.在剩磁影响下,总磁化方向与感应磁化方向并不一致,这使得处理解释变得复杂.本文研究提出从近等轴状磁总场异常估计磁化方向的偶极源互相关法,即用磁偶极源的理论磁异常与实测磁异常作互相关,用一系列递变的偶极源位置和磁化方向做试错,取互相关最大化对应的磁化方向作为估计结果.理论数据试验和中国西北某金属矿勘探区航磁资料试验表明本文方法能从近等轴状磁异常有效估计出总磁化方向.     

地球内核的旋转和磁性

地球发电机三维数值模拟说明,地球固内核相对于地幔的超（速）旋转是由内核和液体外核内的东向热风之间的耦合来维持的。这种机制类似于同步电动机的机制,在地球磁场的产生中也起着重要作用。     

非洲磁异常对地磁场结构及其长期变化的控制作用

地球非偶极磁场在主磁场结构及其长期变化中起着重要作用.非偶极磁场主要表现为行星尺度磁异常,它们是南大西洋磁异常、非洲磁异常、欧亚大陆磁异常、澳洲磁异常和北美磁异常.在这5块磁异常中,非洲磁异常对磁赤道的形状和位置以及全球长期变化特征有极大的影响.非洲磁异常的重要性主要表现在3方面：第一,由于异常区位于赤道这一特殊的地理位置,所以它极大地影响磁赤道的形状和位置.相对于偶极场的地磁赤道而言,异常区所在的中北非洲和中大西洋地区的磁赤道向北移动,最大移动量可达约15°.第二,非洲磁异常的快速西漂对全球长期变化的分布起着决定性作用,它在该异常区西边的中美洲形成了全球最主要的长期变化区,在1900~2005年期间,最大年变率Z_max超过200 nT/a.第三,非洲负磁异常区与其南面的南大西洋正磁异常区相结合,〖HJ〗它们的变化使西半球地磁场强度大大减弱,也使全球磁场发生显著畸变.这两块磁异常与深部的反极性斑区有着成因联系.     

地球基本磁场的成因

在略高于古藤堡面的压力和温度条件下,地核物质中的原子结构状态发生了质变.如对于外层能级分布是3d64s2的铁原子而言,Fe原子的最外层和极少一部分Fe原子的次外层将受到破坏,使外层电子发生"公有化"现象,残破的原子(处于离子状态)在自引力作用形成的压力作用下,按原子密度的大小产生分异,"内核"多为显示有正电性能的密度较高的残破原子组成,"外核"(包含过渡层)为富含"公有化"电子而显示负电性能的密度相对较低的残破原子组成,这是一个地核物质量子状态变化的静态过程,从地球内部宏观电性结构看来,地球的"内核"和"外核"组成缮了一个静态的巨型似"原子球","外核"显示负电性,"内核"显示正电性,"内核"所带电量与"外核"所带电量相等,但符号相反,在静态的情况下,似"原子球"并不显示磁性.由于地球自转,"外核"上界面赤道上的自转线速度为252.9m/s,"内核"外界面赤道上的自转线速度为88.9 m/s,二者的速度差为164.0 m/s,这种含有由巨大电量的"外核"电子壳层相对"内核"绕固定的轴向(自转轴)转动,自然会形成它的基本磁场.     

地球主磁场的能量密度谱及其长期变化

根据BJ地磁场模型和第8代国际地磁参考场(IGRF)模型，计算并分折了1690～2000年期间地球表面主磁场和分量的能量密度谱及其长期变化。结果表明1690～2000年期间主磁场的能量密度谱一直在减小，其主要原因是由于偶板子磁场的衰减产生的，而非偶板子磁场的能量密度谱在1690～1780年期间减小，1780～1890年增大，1890年以后快速增大。在地磁场总能谱的变化中，Z分量的贡献起主要作用。能量密度随谐波阶数的变化在半对数坐标中近似线性，非偶板子场的等效磁源深度位于核幔边界附近，n＝1，2谐波项的等效磁源位于地球内核边缘，其位置随时间变化。1780和1890年前后是地磁场变化的转折时期。能量密度谱的长期变化存在大约60a的周期规律。     

古代赤道极光揭示西太平洋磁异常演化

地球是一个多圈层耦合系统,从内部到表面、大气和空间的相互作用,共同塑造了地球的宜居环境. 偶极磁场的产生使地球环境逐渐演变为宜居,正如金星和火星偶极磁场的消失使这两颗行星的环境走向了另一个极端. 地球磁场起源于地核发电机过程,而地核热动力学和化学结构的变化则会导致地磁场的显著改变,导致地磁场的减弱甚至极性倒转,削弱对地...     

Theory of the evolution of the earth and the earth's crust

Summary The paleomagnetic field (declination and inclination) in different geological epochs is represented through the field of the so-called magnetic dipole. The optimal dipole coordinates so obtained show that during older geological times the optimal dipole lay outside the earth's centre and moved towards and around the earth centre. It is supposed that the optimal dipole trajectory in the earth coincides with earth core trajectory. This core motion brought about a motion of the masses of the mantle in a direction opposite to the motion of the core. This in turn brought about the break-down of Pangea and the separation of the continents. The drift of the continents, the relative changing of the earth's rotational axis and many other geological and geophysical phenomena may be explained through such a motion, that is through the motion of an eccentrical core towards the earth centre.     

Geomagnetic secular variation and motion of the earth's core

Summary A general theory of a time-dependent magnetic dipole in the earth is discussed. On the basis of the weastward drift of the «equatorial» dipole in the two eccentric dipoles model due toH. G. Macht, the impossibility of the origin of geomagnetic secular variation being in a deep interior of the earth's core is established from the standpoints of the shielding effect and the motions in the core. But the westward drift of the core's top layer relative to the mantle seems to be quite reasonable, even if we take into account the shielding effect of the mantle.     

Two and three dipoles approximating the earth's main magnetic field

Summary Two and three dipoles approximating the earth's main magnetic field are determined minimizing a sum of squares of differences between the dipole fields and the earth's magnetic field. Numerical results have been obtained by the aid of a digital computer for epochs 1932, 1942, 1950 and 1960.     

矩谐分析方法的数值检验及其与其他磁场分析方法的比较

本文用地球核幔界面上水平磁偶极子在地表产生的磁场,检验了矩谐分析方法在研究局部地磁场结构中的可用性。结果表明,当矩谐级数的截断水平N≤4时,用矩谐分析方法可以得到相当满意的结果。本文对比分析了表示地磁场的五种主要形式,并对矩谐分析方法在实际应用中的几个问题进行了讨论。     

外空扰动引力场的传播特性

根据重力场的频谱理论,本文建立了重力异常阶方差的经验模型,并导出了外空扰动引力场与地面数据分辨率及其覆盖范围之间的关系,从理论上研究和揭示了各种地形类别下外空场的传播特性。为验证理论分析结果,还应用重力异常逐级余差方法,以实际资料计算并分析了外空扰动引力场的传播特性。结果表明,理论分析和实际计算得到的结论完全一致。     

太阳磁场方向变化对于地球大气温度异常变化的意义

本文根据苏黎世天文台太阳黑子11年周期资料和太阳黑子磁场磁性变化周期特征,构建了太阳黑子磁场磁性指数MI(Magnetic Index)时间序列.分析表明：太阳活动磁性周期平均长度为222年,但是每个周期长度是不相等的;多数情况周期短时磁性指数较大,对应太阳活动水平强;周期变长时磁性指数较小,对应太阳活动水平较弱;太阳黑子磁场磁性指数序列也具有80～90年的世纪周期. 进一步研究指出,太阳黑子磁场磁性指数曲线由极小值升至极大值时期,太阳磁场南向,行星际磁场磁力线与地磁场磁力线重联,此时磁层为开磁层,太阳风将携带大量等离子体从向阳面进入地球磁层,从而使输入的动量、能量和物质大幅度增加,与北半球对流层增温时期对应;太阳黑子磁场磁性指数曲线由极大值下降至极小值时期,太阳磁场北向,与磁层顶地磁场同向,行星际磁场不会与地磁场发生重联,此时磁层为闭磁层,这种情况下,只有少数带电粒子能够穿越磁力线进入地球磁层,与北半球对流层降温时期对应.     

地球变化磁场的分形和混沌特征

将北京地区地球变化磁场的水平分量作为一无规时间序列，利用谱分析方法求出了１９５９，１９６５，１９７０和１９７６年时间段的分数维布朗运动（ＦＢＭ）的维数Ｄｂ。结果表明Ｄｂ值与太阳活动性呈负相关。进而利用时间延迟方法来重建该序列在相空间的吸引子，计算得到吸引子的维数Ｄ＝４．２±０．４，最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数总是正值。这表明地球变化磁场可能是混沌的。还利用一简单模型说明太阳活动性对地球变化磁场Ｄｂ值的影响。     

地球外核的电荷密度

为计算地球磁极处的磁感应强度,建立地球的磁场是由带电的地球外核的旋转产生的模型.先根据毕奥-萨伐尔定律计算球形模型绕自转轴旋转时在自转轴直径上产生的磁感应强度;再利用已知的地球外核的内外半径及地球半径和磁极处的磁感应强度值,计算出地球外核的电荷体密度及面密度.结果表明:若外核的电荷呈均匀的体密度分布,则其电荷体密度为3.5507 C/m³;若外核的电荷均匀分布在外核的外表面,则其面密度为2.4581×10⁶ C/m².通过地球表面的磁感应强度信息利用物理规律和地球物理数据推测地球内部难以直接进行探测的相关信息,具有实际意义.根据地震学方法对地球外核厚度、转向等变化的最新研究数据按该文模型可推测地球磁场强度、极性等的变化.而地球磁场的变化对地球上的人类生活颇有影响.     

1690～2000年地磁场能量的三维分布及其长期变化

利用Bloxham & Jackson 地磁场模型和国际参考地磁场模型(IGRF),研究了1690～2000年地磁总能量及其北向、东向和垂直向分量的能量以及非偶极子磁场的能量在地球内部的分布及长期变化.结果表明,地表和地核以外地磁场总能量及其北向和垂直向的能量是持续衰减的,垂直向的磁场能量占总能量的64％以上,对总能量的贡献起主要作用;东向分量的能量随时间的变化以增加为主.地磁场的能量变化率存在56年的周期,主要是由偶极子磁场产生的.地表以外的非偶极子磁能从减小到增大转折出现在1770年,比地核以外滞后40年.地球内部磁能随时间的变化显示,偶极子磁能逐渐减小,非偶极子磁能增加,越靠近核幔边界增加越快;偶极子和非偶极子磁能的变化量相等的分界面在距地心3780km处.从核幔边界到地表,磁能变化的衰减非偶极子比偶极子快,表明偶极子磁场比非偶极子磁场有更深的场源.     

磁总场异常垂直梯度三维相关成像

本文提出了磁总场异常垂直梯度三维相关成像方法,用于成像地下等效磁源分布.它首先将地下待成像空间划分为三维规则网格,然后直接计算每个网格节点磁偶板子在观测面理论磁总场异常垂直梯度与实测磁总场异常垂直梯度的互相关,其相关系数值表征等效磁偶极子分布(即磁偶极子发生的概率).理论长方体组合模型数据和实际某矿区磁测资料试验结果表明本文方法计算得到的相关系数值能基本反映地下的磁源分布,且分辨率明显高于磁总场异常三维相关成像的分辨率,也高于基于熵滤波分离异常的磁总场异常三维相关成像的分辨率.