1950—2000年中国地磁测量地磁图与地磁研究

为纪念“３９１２”建队三十周年,本文回顾了１９５０－２０００年中国地磁测量和地磁图,回顾了“３９１２”任务的光辉业绩,阐述了“３９１２”任务的学术意义和应用价值。     

地磁台链的观测与研究

简要介绍了地磁台链观测在极光带电集流、赤道电集流、中低纬度大尺度电流体系、太阳风-磁层-电离层-高层大气能量耦合、高-中-低纬的扰动传输、磁层中磁流体波的传播、主磁常荚期变化等研究中的应用,综述了地磁台链观测在地磁与空间物理研究中的物理基础和研究现状,着重回顾了IMS 期间6个高纬子午台链的观测研究,总结了中国地磁台链研究的初步结果.中国所处的独特地理位置和广阔的经纬度展布提供了建立全球唯一的闭合子午圈台链的可能性.中国台链向北与俄罗斯东西伯利亚地磁台相连,一直延伸到北极光带,向南与菲律宾、印尼、澳大利亚台站相连直达南极区中山站,通过南极与对面子午线上的长城站相连,并与南美、北美台站构成一条闭合的子午圈台链.可以预料,这条台链的观测资料将为地磁与高空物理研究提供宝贵的资料,对研究日地整体行为将会有重要意义.     

地磁变化之探

近日,美国《科学》杂志的一篇文章报道：近150年来,地球南北极磁场正在急剧地衰减,如果这种衰减持续下去,地球磁场可能在下个千年的某个时期消失。但更多的专家认为,地磁场并不会真正消失,地球磁场的衰减只是地球南北两个磁极倒转中的过渡而已。     

北京地磁台地磁场长期变化的初步研究

根据北京地磁台1987~2012年已正式出版的《地磁观测报告》资料,对北京地磁台地磁场的长期变化进行初步分析研究。系统地总结了北京地磁台地磁场长期变化的基本规律,这对进一步认识了解北京地磁台地磁场各要素的变化规律与特征,以及应用北京地磁台的资料有一定的意义。     

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.     

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.     

1950～1990年中国地磁剩余场冠谐分析

根据中国1950、1960、1970、1980年和1990年地磁三分量绝对测量资料,使用球冠谐和分析方法,分别计算1950～1990年各个年代中国地磁剩余场冠谐模型. 球冠极点位于36°N和104°E,球冠半角为30°,冠谐模型的截断阶数为8. 地磁剩余场冠谐模型的均方偏差分别为：对于X分量,1950年为93.1 nT,1960年为128.9 nT,1970年为107.2 nT,1980年为107.6 nT,1990年为95.2 nT;对于Y分量,1950～1990年依次为74.8 nT,98.1 nT,89.2 nT,89.9 nT和84.0 nT;对于Z分量,分别为122.2 nT(1950年),135.0 nT(1960年),137.7 nT(1970年),110.1 nT(1980年)和107.5 nT(1990年). 根据中国地磁剩余场冠谐模型和全球地磁场DGRF模型,得到中国地磁场的冠谐模型,并对冠谐模型的边界效应进行了分析和讨论.     

上海市地铁对地磁观测影响的实验分析

用国际上先进的高精度数字化磁通门,在距上海市地铁交通线的不同距离处进行了野外观测,对上海地区地磁观测环境进行了实测试验和分析。结果显示,城市地铁交通对其周围的地磁观测环境具有较大的影响。分析了地铁列车运行时段在地磁观测中高频成分所呈现的干扰信号空间形态特征、幅度大小、随时间变化的规律,得出这种干扰信号随着距离地铁交通的远近不同而出现的噪音衰减特征,从而为识别地磁台站观测中的地铁等轨道交通干扰噪音给出了有意义的依据。     

太平洋中部地磁台11年周期变化的研究

综合APIA、HONOLULU、PAMATAI 3个地磁台三分量的11年周期变化的形态后,可定性地提出该变化源于内场。如内源为核幔边界的电涡流,则其中心点应位于3台之间。     

基于协方差矩阵的中国地区1998—2016年地磁急变研究

基于43个中国地区地磁台和7个欧洲地区地磁台数据,针对大尺度外源场干扰难以准确估算,通过计算实测值与CHAOS-6模型之间残差的协方差矩阵而从数据中剔除了噪声方向(最大特征值方向)的干扰而获取了干净的长期变化数据,进而分析了1998—2016年期间的中国地区地磁急变.还通过观察三个特征方向的变化而确定外源影响和可能存在的急变.结果表明协方差矩阵方法可以很好地模拟D_st的影响从而降低大尺度的外源干扰,中国和欧洲地区外源场干扰相对于D_st指数的相关性系数分别达到0.791和0.795.中国地区台站对2003.5年和2014年这两个全球急变都有很好的响应,而在2009年前后的急变现象可以认为是一个区域急变事件.两个全球急变在我国的间隔为11年,这反映了我国乃至东亚地区的大尺度地磁场长期变化可能与太阳活动有关.     

变化地磁场预测的支持向量机建模

变化地磁场建模与预测是地磁导航、空间环境监测等领域的重要研究课题.由于变化地磁场属于日地系统中的一部分,受多种因素的制约影响,且其变化本身也具有较强的前后相关性.本文综合空间和地面监测数据,以变化地磁场地面观测数据、地方时、太阳射电流量和行星际磁场南向分量等为输入,采用支持向量机方法,建立了变化地磁场综合模型,并进行预测.结果表明,在地磁活动Kp指数小于4时,预测3 h平均绝对误差小于1.61 nT.     

Reversed polarity patches at the CMB and geomagnetic field reversal

The International Geomagnetic Reference Field models (IGRF) for 1900–2000 are used to calculate the geomagnetic field distribution in the Earth’ interior from the ground surface to the core-mantle boundary (CMB) under the assumption of insulated mantle. Four reversed polarity patches, as one of the most important features of the CMB field, are revealed. Two patches with +Z polarity (downward) at the southern African and the southern American regions stand out against the background of ™Z polarity (upward) in the southern hemisphere, and two patches of ™Z polarity at the North Polar and the northern Pacific regions stand out against the +Z background in the northern hemisphere. During the 1900–2000 period the southern African (SAF) patch has quickly drifted westward at a speed of 0.20–.3° /a; meanwhile its area has expanded 5 times, and the magnetic flux crossing the area has intensified 30 times. On the other hand, other three patches show little if any change during this 100-year period. Extending upward, each of the reversed polarity patches at the CMB forms a chimney-shaped “reversed polarity column” in the mantle with the bottom at the CMB. The height of the SAF column has grown rapidly from 200km in 1900 to 900km in 2000. If the column grows steadily at the same rate in the future, its top will reach to the ground surface in 600–700 years. And then a reversed polarity patch will be observed at the Earth’s surface, which will be an indicator of the beginning of a magnetic field reversal. On the basis of this study, one can describe the process of a geomagnetic polarity reversal, the polarity reversal may be observed firstly in one or several local regions; then the areas of these regions expand, and at the same time, other new reversed polarity regions may appear. Thus several poles may exist during a polarity reversal.     

地磁长期变化信号提取和模型预测精度评估

高精度地磁场信息在地球物理导航等领域有着广泛应用,一般依靠地磁场模型来预测未来磁场的时空状态变化特征.本文基于中国大陆10个地磁基准台站2009—2022年的连续矢量观测数据,通过月均值年差分和主成分分析方法剔除外源干扰场,进一步去除岩石圈磁场,提取得到了主磁场长期变化信号,并将其与IGRF和WMM系列主磁场模型结果进行对比.通过引入绝对误差、均方根误差等指标,定量评估了IGRF-12和WMM2015模型在中国大陆区域内1—5年尺度的预测精度.结果表明,IGRF-12和WMM2015模型均能总体反映我国大陆主磁场长期变化趋势,两者总场强度的5年均方根误差分别为54.19 nT和15.86 nT,WMM2015模型预测的7个地磁要素的精度均优于IGRF-12.模型误差会随时间逐渐增大,两模型总场强度的1年期最大误差为13 nT,5年期最大误差可达153.65 nT,难以满足高精度定向钻井等领域的地磁导航需求,因此,有必要结合地磁台等观测资料,研制年周期地磁场快速长期变化模型.

     

Nonlinear and multifractal approaches of the geomagnetic field

Recent nonlinear dynamics techniques have been developed to analyse chaotic time series data. We first summarize the procedure which gives an appropriate reconstruction of the unknown dynamics from scalar measurements in a pseudophase space. It permits, firstly, the representation of the trajectories of the dynamical system—they define an attractor when the system is dissipative—by preserving its topological properties. We then present the invariant measures and ergodic quantities such as the multifractal spectrum and Lyapunov exponents which can be estimated on the reconstructed attractor. The multifractal analysis provides us with a characterization of the scaling energy of the process whereas the Lyapunov exponent gives another statistical measure of the stability of the dynamics. The estimation of these quantities was tested on synthetic data. The nonlinear and multifractal analyses were finally applied to the hourly mean values of the magnetic field recorded at the Eskdalemuir (ESK) observatory over 79 years (692,520 data measurements for each component). The estimations of a 5-dimensional pseudo-phase space and a positive Lyapunov exponent confirm the possibility of low-dimensional deterministic chaos in the magnetic field observations at ESK observatory. The correlation between the solar activity (the Wolf number), the unstable nature of the magnetic field, and the singularity spectrum points out the forcing of the solar cycles on the dynamics of the magnetic field at ESK observatory.     

X地磁垂直分量日变幅逐日比及其与地震关系的探讨

分析了地城关垂直分量日变幅逐日比值的高值异常与其后地震的关系，发现它们之间有良好的对应，通过分析地磁垂直分量谐波幅度的逐日比，作者认为这种高值变化可能与其间地下介质电阻率下降有关，但也有可能是是外场变化所致。     

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。     

地磁总场测量阵列对磁性目标定位的方法

提出了用地磁总场对磁性目标定位的方法.以远场磁偶极子原理构建了地磁总场的测量阵列,设计了阵列对目标的定位算法,求解中采用二重梯度算法消除了地磁总场随时间变化和空间分布不均匀对目标定位的影响.实验验证了这种二重梯度算法的有效性.利用MATHCAD对定位算法中的非线性方程组进行了仿真,采用LINGO软件求解了阵列方程组.在松花江沿岸某地,用光泵磁传感器阵列对航行中的目标船进行了定位实验,所测磁场数据曲线与理论曲线完全吻合,证明了定位算法物理模型的正确性.提出了改进的磁场梯度偏置定位算法,进一步提高了目标定位精度.实验证明了这种地磁总场目标定位方法的可行性.

     

地磁场长期变化特征及机理分析

将地磁场的总变化分为三部分：偶极场自身变化,非偶极场自身变化及非偶极场磁斑区通过对核幔边界（CMB）层环形电流的调制来影响偶极场的变化. 本文利用国际地磁参考场模型IGRF）1900～2000计算分析了地球不同深度地磁场分布及长期变化特征,且讨论了变化的可能机制. 可以推论,地磁场西漂和倒转不仅是非偶极场引起,同时与偶极场有密切关系.     

地球磁极倒转与白垩纪超静磁带的非线性分析

地球磁场多次发生南北(正负)磁极位置的变换和白垩纪超静磁带(CNS)的异常现象,这已为大家所公认.但造成这种异常现象的原因,则是迄今未能很好解答的一个难题. 应用非线性理论对地球磁极倒转和白垩纪超静磁带进行了分析, 认为超静磁带事件意味着地球核幔相互作用和外核流体运动可能处于能量最低的状态,地球磁场系统通过不断地与外界交换物质和能量,维持一种空间或时间的有序结构.在121～83Ma期间,无外星撞击地球引起地磁极性倒转,可能是白垩纪超静磁带出现的原因之一.地球磁场极性的随机倒转具有混沌运动的自逆转特性,混沌理论给地磁极性倒转提出了一个简明的动力机制解释.     

新沂台地磁异常与地震关系的研究

应用差分法分析了新沂台与射阳台地磁垂直分量Z的变化，以加卸载响应比方法研究地磁场极值的变化，对这两台资料进行相关分析，研究发现，在中强震前新沂台的地磁场存在明显的异常变化。