磁线圈对地磁场的物理模拟及对地磁导航研究的意义

利用磁线圈对地球基本磁场开展动态模拟,将地磁场随空间的变化转化为在实验室中随时间的变化,能够为地磁导航系统的匹配试验提供物理仿真的地磁场环境。本项研究依照虚拟仪器技术思路,对磁线圈、恒流电源、磁通门磁力仪(或Overhauser磁力仪)和工控机进行数字化连接,并采用LabVIEW编程进行驱动控制,通过自动调节线圈绕组中的电流大小来实现对磁场的物理模拟并进行实时监测,尝试组建了地磁场动态模拟系统,并分别开展了对地磁场总强度和三分量信号的动态模拟实验。模拟系统可以实现天然地磁场和人工编制两种动态信号的输出模拟,且拟合效果良好。地磁场动态模拟系统的初步建立为今后地磁匹配试验等研究提供了仿真磁场环境。     

南海西南次海盆深海地磁观测潜标的数据分析

地磁场磁力线切割海水和电磁感应两种方式的共同作用影响着海水介质中变化地磁场的时空特征.虽然近些年的野外实践、数值模拟和理论研究都表明,海面和深海海底的变化磁场存在差异,但极少有实测数据揭示在海水介质不同深度位置地磁场的时空特征.本文主要介绍在南海西南次海盆4366 m深度处布放和回收了一个4000 m长深海地磁观测潜标的科学实验;重点分析垂直方向不同水深位置上地磁场观测记录中总强度的变化幅度及相位的时空特征.并通过建立地磁场太阳静日变化模型,将观测结果与南海周缘的三个地磁台站观测记录进行对比分析.研究结果表明,地磁场总强度在深海水体的不同深度存在着显著差别.在地磁扰动较小或平静期间,深海潜标处的日变形态与同纬度邻近台站的观测结果较为一致;而在地磁扰动期间,由于所处位置处地下电性介质的差异会对感应磁场产生不同的影响,观测到的总强度在幅度和相位变化中也出现相应的不同.本文的分析结果不仅为海水介质不同深度地磁场时空特征的研究提供了科学实验依据,也为海洋磁测中地磁日变观测站的布设提供建议.     

基于Weimer模型的高纬地磁扰动预测

地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础.     

地磁巡测的几个问题

从变化磁场或内源磁场的变化来探索地震前兆,都是企图找到地震活动过程中的地磁场变化.近年来,流动地磁重复测量已成为配合固定地磁台研究地磁场空间分布及其变化特征的重要途径.目前在观测强震活动过程中所引起的地磁场变化、探索震磁关系、寻求地震孕育过程中的地磁场变化指标等方面做了一些工作.在实地观测中,假设地壳介质磁场的变化是地壳变异的一种反映,震源体或其应力场所展布的块体是不大的,因此可以认为它是放在地球基本磁场(?)_1和大陆磁异常场(?)_2中被磁化的一块磁体.从这个意义上讲,(?)_1和(?)_2的合成场是震源体的     

泰勒多项式拟合法在地磁测量资料分析中的应用

本文收集了山东省东部两个流磁测网多年的观测资料，应用泰勒多项式二次拟合方法，研究分析了流磁测网内区域地磁场和局部地磁场的变化状态。结果表明，运用该方法分析研究迭加在区域磁场和局部地磁场上的构造磁效应磁场的变化状态，效果显著。     

太阳平静期地磁场与电离层时空变化相互作用分析

作为地球空间环境的重要组成部分,地磁场和电离层是地球物理研究中的重要方向.新的观测数据和处理方法为人们更加深入地认识地磁场和电离层时空变化之间的相互作用发挥了巨大的促进作用.本文利用欧洲轨道测定中心(CODE)提供的全球电离层垂直总离子浓度地图(GIM)数据和Swarm卫星的观测数据,基于数据统计的方法,对太阳平静期不同纬度地区地磁场和电离层时空变化之间的相互作用进行了分析.从地磁场对电离层时空变化的作用来看,本文利用Swarm卫星数据发现电离层电子浓度在赤道地区呈"马鞍"形分布,在高纬度地区变化剧烈,验证了因地磁场对电离层时空变化影响导致的电离层赤道异常和极盖吸收等现象的存在,同时利用GIM数据通过张量秩-2分解和主成分析发现沿地磁场方向电离层的空间变化更加迅速,体现出地磁场对电离层时空变化的约束作用.从电离层对地磁场时空变化的作用来看,基于CHAOS-5模型对地磁内源场和磁层环电流磁场的预测,本文从Swarm卫星磁测数据中分离出电离层中电流体系的磁效应,其中包括赤道电集流、中纬度地区的Sq电流体系和极区电集流的磁效应,为进一步反演电离层电流体系奠定了基础.     

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。     

带电粒子在中性线磁场中的运动

本文利用了小扰动方法、轨道法以及粒子的运动区域,比较系统地研究了带电粒子在中性线磁场中的运动。其结果是: 1.带电粒子的运动轨道可分为漂移轨道、波动轨道与8字形轨道三种形式。小扰动方法不能使用于中性线的区域内,在这个区域出现一个与小扰动漂移运动相反方向的运动。 2.在沿中性线方向的电场的作用下,中性线周围的部分粒子可以聚集到中性线附近。当粒子进入非小扰动区时,它们将被中性线磁场反射,并被电场加速。 3.计算出磁尾中性片的厚度为在这个区域内,大部分带正电的粒子的平均运动是沿晨昏方向,带负电的粒子的运动则相反。磁尾区出现一个等离子体中性片电流。     

基于行星际磁场阿尔芬特性的星载磁通门磁强计在轨标定新方法

准确的磁场测量对深入研究空间等离子体环境具有重要意义.星载磁通门磁强计的磁补偿随时间缓慢变化,因此,需要对其进行常规的在轨标定.现有的在轨标定方法都依赖于磁扰动或磁结构事件的筛选,导致标定结果的频次受限于事件的筛选,且差的事件还会增大计算误差.为此,本文研发出一种不依赖于磁场事件筛选的在轨标定新方法.根据行星际磁场强度的取值范围,我们可建构一个磁补偿取值空间.不同的磁补偿值会影响行星际磁场的阿尔芬特性;于是,我们通过在磁补偿空间中找到使被调整之后的行星际磁场的阿尔芬特性最强的点作为磁补偿值的最优解.测试结果表明,我们的新方法可以利用1～4 h时长的行星际磁场数据获得误差小于0.1 nT的标定结果.     

2013年松原震群地磁ULF波动异常研究

为了提取2013年10月至11月吉林省松原市Ms5.0以上震群前后地磁异常变化信息,利用短时快速傅里叶变换方法,分析平均震中距为79 km的长春地磁台地磁场能量波动,发现该台Z分量在震前4个月于0.02 Hz频点能量出现异常波动,震前2个月达到峰值,随后逐渐平稳,恢复到正常水平期间发生地震.排除空间变化磁场影响和环境干扰,认为该异常变化与2013年松原Ms5.0以上震群有关.     

Response of the inner and outer magnetosphere to solar wind density fluctuations during the recovery phase of a moderate magnetic storm

We examine the geomagnetic field and space plasma disturbances developing simultaneously in the solar wind, in the inner and outer magnetosphere, and on the ground from 0730 to 2030 UT on April 11, 1997 during the recovery phase of a moderate magnetic storm. The fluctuations of the solar wind density, H-component of the geomagnetic field, and power of Pc1–2 (0.1–5 Hz) waves at middle and low latitudes evolve nearly simultaneously. These fluctuations also match very well with variations of density and flux of the magnetospheric plasma at the geosynchronous orbit, and of the geomagnetic field at the geosynchronous orbit and northern polar cap. The time delay between the occurrence of disturbances in different magnetosphere regions matches the time of fast mode propagation. These disturbances are accompanied by the generation of Pc1–2 waves at mid- and high-latitude observatories in nearly the same frequency range. A scenario of the evolution of wave phenomena in different magnetospheric domains is proposed.     

Response of the high-latitude polar ionosphere to changes in the orientation of the Poynting vector near the Earth orbit relative to the geomagnetic moment orientation

The effect of the mutual orientation of the Poynting vector P of the electromagnetic energy density in the solar wind and the vector M of the Earth’s magnetic moment (taking into account its orbital and diurnal motions) on the geomagnetic activity has been examined for the first time using the measurements of the solar wind parameters on the Earth orbit in 1963–2005. The component P _m of the vector P along the vector M is shown to have a pronounced annual variation with the extrema in November and May and a diurnal variation with the extrema at ∼6 and 18 UT. The phases of the variations are shown to be determined only by the geometric parameters and are independent of the sign of the sector structure of the interplanetary magnetic field. The experimental data on the planetary and high-latitude geomagnetic activity, which is a response to changes in the orientation of P relative to M, are presented. The power of the sources of the electromagnetic energy of the solar wind during strong geomagnetic disturbances is also estimated.     

Magnetospheric disturbances excited by solar wind density enhancements on April 11, 1997

Disturbances in the solar wind density, geomagnetic field, and magnetospheric plasma density and fluxes are analyzed. The disturbances have the same sign and are close to each other in time. They accompany the process of amplitude modulation of Pc1 geomagnetic pulsations during the recovery phase of the moderate magnetic storm of April 10–11, 1997. The magnetospheric disturbances were recorded by ground-based observatories and on spacecraft in all local time sectors with insignificant time delays. It is concluded that in this case variations in the geomagnetic field and magnetospheric plasma density are primary, whereas the amplitude modulation of Pc1, 2 is a secondary manifestation of fast magnetosonic (FMS) waves that are generated during the interaction between the magnetosphere and solar wind density irregularities.     

Geomagnetic field effects of the Chelyabinsk meteoroid

An analysis was conducted of time variations in geomagnetic field components on the day of the Chelyabinsk meteorite event (February 15, 2013) and on control days (February 12 and 16, 2013). The analysis uses the data collected by magnetic observatories in Novosibirsk, Almaty, Kyiv, and Lviv. The distance R from the explosion site to the observatories varies in the range 1200–2700 km. The flyby and explosion of the Chelyabinsk cosmic body is found to have been accompanied by variations mainly in the horizontal component of the geomagnetic field. The variations are quasi-periodic with a period of 30–40 min, an amplitude of 0.5–2 nT for R ≈ 2700?1200 km, respectively, and a duration of 2–3 h. The horizontal velocity of the geomagnetic field disturbances is close to 260–370 m/s. A theoretical model of wave disturbances is proposed. According to the model, wave disturbances in the geomagnetic field are caused (a) by the motion of the gravity wave generated in the atmosphere by the falling space body and (b) by traveling ionospheric disturbances, which modulate the ionospheric current at dynamo altitudes. The calculated amplitudes of the wave disturbances are 0.6–1.8 nT for R ≈ 2700?1200 km, respectively. The estimates are in good agreement with the observational data. Disturbances in the geomagnetic field level (geomagnetic pulsations) in the period range 1–1000 s are negligible (less than 1 nT).     

地磁场结构对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响

基于AE8电子辐射带模式和各地磁场模式,本文系统分析了地磁场模式、太阳风、地磁扰动、地磁轴指向对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响以及静止轨道不同经度位置≥2 MeV高能电子分布的差异,并与GOES系列卫星实测结果进行了对比分析.结果表明,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布结果优于AE8+IGRF+OPQ77模式或AE8+IGRF+T89模式结果,其大部分定性结果与GOES系列卫星观测结果较为一致,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布与磁壳参量Lm、局地磁场B分别呈较好的负和正相关性.基于AE8+IGRF+T96模式得到在相同太阳风及地磁扰动条件下2010年每分钟静止轨道≥2 MeV高能电子通量分布结果,经分析得到：1年内每个时刻静止轨道上≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.50~7.51,变化主周期为1天,每天比值变化量都超过3;1年内静止轨道各经度位置每天内≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.98~6.00,比值随着时间和经度位置而变化;1年内同一天静止轨道各经度位置≥2 MeV高能电子日积分通量最大值出现在170°W附近,最小值出现在70°W附近,最大值与最小值的比值分布在1.86~2.13之间.以上所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布变化主要来自Lm变化,B/B₀的影响小于5%,其中B₀为磁力线上磁场最小值.因此,在构建≥2 MeV高能电子分布模式时,需要考虑地磁场结构的影响,特别是Lm参数.     

大气阻力引起卫星轨道衰减的数值模拟

本文以德国低轨道卫星CHAMP为例,联合考虑地球扁率和大气阻力摄动的影响,对相应摄动方程进行数值积分,计算轨道根数变化,并进而计算得到卫星空间位置,由此模拟考察大气阻力引起的轨道高度衰减.模拟中使用综合考虑了太阳辐射和磁暴等多种因素影响的最新国际大气标准JB2008模式来计算热层大气密度. 选取CHAMP卫星轨道高度自然衰减（无点火提升卫星高度操作）的2005全年进行模拟;为了考察不同年份阻力系数的可能变化,对2002年1—3月处在较大高度的轨道也进行了模拟.考虑到CHAMP卫星的特殊几何构形及飞行高度的热层温度条件,取阻力系数大于2.8,并在一定范围内变化,以求得模拟与实际轨道衰减符合较好.结果表明,对于2005年,阻力系数为2.91时模拟得到的轨道高度的衰减与实际轨道衰减符合得最好,模拟与实际轨道半长轴全年的标准偏差为81m;在卫星高度稍高的2002年,模拟的最佳阻力系数为3.0;模拟所得最佳阻力系数值比传统使用的值2.2大30%以上.由于在模拟中忽略了高阶保守力分量,所得近/远地点高度没有出现实际轨道所显示的周期性起伏.     

Control of the current state of geomagnetic activity based on the satellite magnetic measurements in the magnetosphere

The method for controlling the state of the geomagnetic field in real time, based on comparing the up-to-date models of the magnetospheric magnetic field (the Tsyganenko model, the NIIYaF MGU paraboloid model) with this field measured onboard a spacecraft along its trajectory, is presented. The method is based on the possibility of characterizing the state of the geomagnetic field in the near-Earth space in the scope of such models. The specific state is determined, based on the best correspondence of the measurements to one of these three model calculations, by comparing the model calculations of the geomagnetic field along the satellite trajectory, belonging to different classes of the field state (quiet, disturbed, strongly disturbed), with the current experimental magnetic data. The method was tested using the CHAMP satellite data.     

Spectral features of solar plasma flows

Research to the identification of plasma flows in the Solar wind by spectral characteristics of solar plasma flows in the range of magnetohydrodynamics is devoted. To do this, the wavelet skeleton pattern of Solar wind parameters recorded on Earth orbit by patrol spacecraft and then executed their neural network classification differentiated by bandwidths is carry out. This analysis of spectral features of Solar plasma flows in the form of magnetic clouds (MC), corotating interaction regions (CIR), shock waves (Shocks) and highspeed streams from coronal holes (HSS) was made. The proposed data processing and the original correlation-spectral method for processing information about the Solar wind flows for further classification as online monitoring of near space can be used. This approach will allow on early stages in the Solar wind flow detect geoeffective structure to predict global geomagnetic disturbances.     

地磁活动对气候要素影响的研究进展

地磁活动是太阳爆发现象引起地球近地空间磁场扰动的重要空间天气过程之一.地球磁场的变化具有多种时间尺度,其中从数十年到数世纪的长时间地磁场变化主要是由地核磁场引起的,而从数秒到数年的短时间地磁变化与太阳活动有关.近年来,越来越多的统计研究表明,地磁活动与太阳活动和地球气候变化之间存在着显著的相关性.地球磁场和地球大气系统的耦合现象驱动着人们探索地磁活动对地球天气和气候系统影响的研究.本文的目的就是综述国内外地磁变化对气候影响的研究进展,介绍我们最新的研究成果,探索地磁活动对气候要素的影响特征和可能机理过程,为深入研究地磁活动对地球天气和气候的影响提供基础和依据,以期对地磁活动和气候要素关系有进一步的认识.