地球电场与地球磁场对大气中带电粒子的作用及其对气候的影响

地球自转带动非对等分布的正负电荷绕地轴做圆周运动产生相对于地轴静止的地球主磁场并形成地球电场,同时,由地球自转所带动的带电粒子受到地球电场和地球主磁场的作用.为探索地球气候变化的自然原因,创建相对于地轴静止的地磁参考系,应用经典物理学理论和方法,分析研究大气中带电粒子在地球电场和地球磁场中的运动规律.结果表明:气候带及季节性节律均为大气受到电磁力、热力及地球引力的共同作用而形成;地球电场与地球磁场变化使地球系统带电粒子受到的电磁力发生变化,对气候的影响是全方位的;大气具有一定的自动调节功能,当代气候呈极端化趋势与大气中地球主磁场极弱密切相关.本研究结论概括为四个方面:(1)地球电场使大气中带正、负电荷的粒子呈交错分层分布态势且地球南、北两极及赤道附近空间的电荷密度高.(2)地球主磁场使大气中带正、负电荷的粒子在垂直地球主磁场平面内作方向相反的圆周运动并带动荷电大气回旋形成气旋和反气旋环流.(3)荷电大气回旋规律为:在线速度大小不变条件下回旋半径跟总磁场磁感应强度与大气荷质比的乘积成反比;回旋角速度大小等于总磁场磁感应强度与大气荷质比的乘积,与线速度无关.荷电大气相对于地面的速度在各象限分布不对称.(4)地球电场、地球磁场、荷电大气的运动及其产生的感生电场和感生磁场,遵循麦克斯韦方程组和牛顿运动定律等经典物理学规律,是一个相互纠缠的整体,具有超越介质的遥相关和遥响应机制,能够使大气中的极性分子物质发生电离,地震前地电场和地磁场的异常变化可以在大气中形成地震云.感生电场和感生磁场使回旋的荷电大气作经、纬方向的耦合,形成经、纬方向的偶极子型环流和纬向环状型环流,使荷电大气的运动与地形地势及下垫面的电磁特性紧密相关.荷电大气的回旋具有正反馈机制,随着荷质比的增大能够形成台风、龙卷风等旋风.大气中尺度不同的环流系统,从东(西)风带、南(北)半球环状模,到热带气旋等,都是地球电场和地球磁场驱动的荷电大气的运动所致,准定常行星波是大尺度环流系统感生电磁场传播的结果.     

地球主磁场电磁转矩导致的地球差异旋转

为探索驱动地球系统差异旋转的力源,选择整个地球作为研究对象,应用经典电磁学理论,分析地球固体介质中的电荷在地球主磁场中的运动特点,发现存在一个与地球自转方向相反的切向洛伦兹力.通过电荷与介质间的相互作用,切向洛伦兹力传递至介质迫使介质西漂.为探索地球差异旋转的规律,建立了地球薄圆筒圈层模型.应用经典物理学理论和方法推导出了地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度公式.研究得到四点主要结论:1)作用于半径不同的地球薄圆筒圈层的地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度绝对值不同:地轴及赤道附近圈层的小,其自转相对较快;半径等于3～(1/2)倍地球半径的薄圆筒圈层及其相邻圈层的大,其自转相对较慢.2)同一薄圆筒圈层中的差异旋转缘于介质的介电常数、阻力系数及质量密度的差异.3)地球差异旋转缘于地球的自转、正负电荷的非对等分布及介质的介电常数、阻力系数、质量密度的差异.4)地球差异旋转导致地壳运动,孕育地震,地球主磁场是地球差异旋转和地震孕育的敏感因子.     

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.     

地球基本磁场起源的角加速度机制

Tolman 实验成功地证明了,当圆形导线绕通过中心的轴线作加速自旋时在导线中有电流存在。据此,可以设想当地球的自转角速度发生变化时也会在地球内部激发电流,并由该电流引起一个磁场。作者假设了一个地核模型,推导了该模型由角加速激发磁场的公式,阐明了角加速机制的基本性质,发现了由角加速机制激发的磁场无论在结构上还是在随时间变化上都与地磁场的观测事实相符合。这种相符合是多方面的,很难用巧合来解释。它和现在流行的地球发电机假说相比,没有能源的困难,可以解释地磁场倒转在时间上的无规分布。这种机制需要假设地核具有极高的电导率,目前尚无实验条件和现成理论可以证明,有待今后验证。可见角加速机制只是一种推测,现提出来和大家共同研讨。     

在角加速机制的假设下,地磁场与地球自转速度的变化有关

假设地球基本磁场可以由地球自转加速度激发。为了检验这种角加速机制是否符合实际,本文根椐角加速机制推测了所激发的磁场的各种预期性质,并且把它们和对地磁场的观测事实进行分析对比。检验结果显示,地磁场的变化和自转速度的变化之间具有共同的频谱,而且角加速机制所预期的磁场性质无论在结构上,还是在随时间变化上都与对地磁场的观测事实相符合,没有遇到一个反例,而且能够解释地球发电机假说所不能解释的某些现象,例如,地磁场倒转时间的不规则分布和磁极游移等。本文所建立起来的地磁场与地球自转速度变化之间的10种关系具有基本的意义,在研究地磁场的起源时应该思考和回答为什么会存在这些关系,这对于探索正确的地磁起源机制也许是有益的。     

地球自转速度变化规律的研究和计算模型

本文通过资料分析和模型计算,得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因.潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素,重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素,重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素.重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球,在质量向地心集中的同时,自转动能也向地核集中,使地壳和地幔自转变慢,使地核自转变快.圈层角动量交换将地球自转动能变为热能,积累在核幔边界,使地壳和地幔自转变快,地核自转变慢.核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀,为热幔柱和火山活动提供了能源和动力,火山活动高峰对应地球自转加快是证据.计算模型表明,地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力,受地球自转速度变化的约束,地球体积不会有较大的胀缩,国内外测量结果证实了这一结论.     

IGRF在地磁研究中的应用

IGRF（国际地磁参考场）资料在地磁学的基础研究中得到广泛的应用.利用IGRF国内外学者研究了高斯分析、地球磁场模型及其源场可能位置、重磁关系、核幔耦合、地磁场能量、地球非偶极子磁场以及长期变化场的西向漂移等,研究了IGRF在我国地区的误差以及产生的原因.在研制中国地磁等值图中也得到某些应用.     

内核地球的自转运动和地球固定参考系的研究

本文研究了内核地球模型下的地球表面的旋转运动和地球形变场的复数矢量球函数表示,以及外壳固定参考架、地球参考系的理论定义和它们之间等价性的理论证明.同时给出了液体外核（FOC）、固体内核（SIC）和整体地球的转动惯量张量和角动量的具体表达式.在考虑到引潮力位对地球形变场的影响下,研究了地幔相对角动量的具体表述.本文的工作是对前人有关理论的扩展和改进,对进一步研究内核地球自转的动力学理论是非常重要的.     

祝贺<地震地磁观测与研究>创刊20周年

地震学和地磁学都是观测的科学.在近代历史上,地震学和地磁学的每一项重要的发现,每一步重大的进展,无一不是与缜密的观测和深入的研究直接或间接联系的--从1906年地核的确认到1936年地球内核的发现,一直到最近(1996年)宋晓东和Richards发现地球内核自转比地幔、地壳自转快(约快1.1°/年);从地球磁场的发现到地球非偶极子磁场"西向漂移"(约0.2°/年)的确认,直到古地磁磁极在地球表面上的迁移为大陆漂移提供了令人信服的证据;无一例外.     

三轴刚体地球自转的自由加速

地球自转是天文学和地球科学领域的交叉学科,对其研究具有重要的理论和实际意义.地球自转动力学理论的研究一般是在旋转对称模型基础上进行的,并得到了一系列与观测相符合的结论.但实际地球是一个非旋转对称的椭球体,甚至是梨形椭球体.因此,三轴地球模型的自转理论研究应该是有一定意义的.文献[17～19]认为,三轴刚体地球除了Euler自由摆动外,还存在第二自由摆动,以及地球自转存在自由加(减)速运动等.本文在经典力学和刚体地球自转Euler方程的基础上,研究了地球自转的自由运动,指出文献[17～19]给出的关于地球自转存在自由加速或减速的证明是不正确的,完全刚体地球自转也不可能存在第二自由摆动.     

引起大地电场变化的一些因素

对河北省4个电场台站3年多的大地电场资料进行了全面的分析、整理,总结出引起大地电场变化的一些因素,这对我们认识资料有所帮助。对分析和利用大地电场资料有一定意义。     

高邮地震台地电阻率和地电场勘选及建设

地震预报是建立在观测数据基础上的研究,地电阻率、地电场是观测地下介质电性结构随时间的变化,要求观测系统有足够的分辨率和长时间范围的测量准确度。这就要求拥有先进的观测仪器和优良的观测场地,高邮地震台采用ZD8BI地电阻率仪器和ZD9A地电场仪器进行观测,并严格按照《地震及前兆数字观测技术规范》、《地震台站观测环境技术要求（第2部分,地磁观测）》（GB／T19531．2-2004）和《地震台站建设规范（地电台站,第1部分：地电阻率台站）》（DB／T18．1-2006）和《地震台站建设规范（地电台站,第2部分：地电场台站）》（DB／T18．2-2006）的技术要求,对观测场地进行认真的勘选和测试,对外线路的走向设计和建设,考虑地电阻率和地磁同场地的供电干扰问题,采取有关措施加以解决。对外线路进行全部地埋方式,解决了风扰和外线路被盗的问题,提高了观测精度,保证资料连续可靠。     

大地电场观测深埋铅电极测量系统试验

为使用铅电极替代不极化电极,以解决滨海地区大地电场观测系统稳定性差的问题,先后开展了浅埋的铅电极与不极化电极的大地电场对比观测,以及深埋铅电极与浅埋铅电极的对比观测试验。结果表明:铅电极与固体不极化电极的观测数据在短期内有较好的一致性;深埋铅电极的大地电场观测资料在长期稳定性上优于固体不极化电极;而观测数据的内在观测质量也高于浅埋铅电极。     

嘉山地震台大地电场观测异常干扰研究

地电场观测是地震电磁前兆观测方法之一,由于其观测物理量所受到的干扰因素较多,因此通过对嘉山地震台大地电场观测中常出现的地电阻率同场观测干扰、雷电干扰、降雨影响、电极极化、磁暴干扰等5种干扰和典型变化形态进行识别分析,可有效剔除干扰,从而为提取地震前兆信息,分析和运用地电场资料进行地震预报提供可靠依据,也为观测场地大致相同的其他台站提供参考。     

地磁正常场的选取与地磁异常场的计算

根据2003年中国地磁观测数据（包括135年地磁测点和35个地磁台）以及我国邻近地区38个IGRF计算点的地磁数据,计算中国地磁异常场的分布。选取两种地磁场模型作为地磁正常场,一是国际参考地磁场的球谐模型,二是中国地磁场泰勒多项式模型。根据各个测点的地磁异常值（观测值减去模型计算值）,用球冠谐分析方法计算地磁异常场的球冠谐模型,并绘制2003年中国地磁异常（△D,△I,△F,△X,△Y,△Z）。分析和讨论了中国地磁异常场。     

火星感应磁场模型及其磁力线分布

本文利用火星具有电离层而无内禀磁场的特点以及它与太阳风相互作用的性质,通过适当的假设,建立了火星感应磁场模型.此模型建立如下,利用电流连续的特性: Δ·j=0 (j为感应电流)以及对火星磁层中的电流体系分布的合理假设给出电流,并由毕奥-萨伐尔定理得到火星周围的磁场强度的表达式;利用我们自编的磁力线跟踪程序由求得的磁场强度得到火星周围的磁力线分布.我们发现:利用此火星磁场模型得到的火星周围的磁力线分布与卫星观测的结果以及其他方法得到的结果符合的很好.     

数字电磁资料在地震监测中深入应用的讨论

电磁学方法是国内外公认的有良好发展前景的地震监测预报方法之一。本文提出并讨论了“地震电磁动态特征研究”课题的具体思路,供大家讨论、指正,即：通过对其全国地电场、地磁场、地电阻率、地震电磁波和GPSTEC等数据的汇集,进行数据处理方法研究,分析地震电磁场动态演化特征,定期形成“动态演化”数据产品,为相关部门分析预测地震提供背景信息;同时,积累资料和震例分析经验,为开展前兆分析方法和地震电磁效应机理等研究提供依据。     

Focal mechanisms and tectonic stress field of the Xinfengjiang earthquake

Altogether 83 events were recorded clearly by all the 8 sub-seismometric stations of the telemetrered seismic network in the Xinfengjiang area during the period from October 1st 1983 to April 30th 1987. Based upon the difference of the initial motion of P waves, the authors divided the 83 earthquakes into 37 pattens. Combining similar pattens, we have got 5 types of focal mechanism solutions. The recent tectonic stress field of the Xinfengjiang region is discussed. The characteristics of the stress axis and the nodal planes are different from which our predecessors got earlier; but the present results is similar to which put forward by the authors in 1981. This paper shows that the tectonic stress field is clearly characterized by a compression in the N-S direction. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica 13. 462–476, 1991.     

地磁场长期变化速率的30年周期

地球主磁场B和它的长期变化都起源于地球外核的磁流体发电机过程，但是，它们的空间结构和时间演化特征却有很大差异. 本文采用全球平均的“无符号年变率”X〖DD(-*3〗〖KG*2/3〗·〖DD)〗〖DD(-*2〗〖KG*2/3〗—〖DD)〗、Y〖DD(-*3〗〖KG*2/3〗·〖DD)〗〖DD(-*2〗〖KG*2/3〗—〖DD)〗、Z〖DD(-*3〗〖KG*2/3〗·〖DD)〗〖DD(-*2〗〖KG*2/3〗—〖DD)〗、H〖DD(-*3〗〖KG*2/3〗·〖DD)〗〖DD(-*2〗〖KG*2/3〗—〖DD)〗和F〖DD(-*3〗〖KG*2/3〗·〖DD)〗〖DD(-*2〗〖KG*2/3〗—〖DD)〗来表征长期变化场〖WTHX〗〖AKB·〗〖WTBZ〗的总体强度，利用第9代国际参考地磁场模型IGRF 9，研究〖WTHX〗〖AKB·〗场的变化特征. 结果表明，在1900～2000年的100年当中，〖AKB·〗场经历了3幕变化，最大年变率分别发生在1910～1920、1940～1950、1970～1980年，显示出清晰的30年周期变化，而且，每一周期的上升段比其下降段短得多. 研究结果还表明，非偶极场对〖AKB·〗的贡献约为偶极场的2倍，因此，决定〖AKB·〗场周期特征的主要因素是非偶极场（特别是四极子场），而不是偶极子场. 这一特点与主磁场B〖WTBZ〗中偶极场占绝对优势的特点完全不同.