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.     

地球基本磁场的形成与变化的探讨

本文在铁磁体假说的基础上,探讨地球基本磁场的形成与变化的原因.地球的偶极磁场是由于地球的回转和内核中特殊的磁化环境,使内核中心形成的饱和磁化的永磁球体（即磁核）产生的,磁核的大小和温度负相关.地球的非偶极磁场,由外核内几个可确定的磁偶极子产生,这些磁偶极子,是外核中液态金属的流动,切割磁核的磁场而产生的涡流形成的.     

地球主磁场模型

主磁场建模是一项综合性的研究工作,它涉及主磁场理论、磁场测量、数据同化、模型表达、模型解释以及模型运用等多方面的研究.本文综述了近五十年来德国、丹麦和美英各国研究者提出的数十个地球主磁场模型,回顾了主磁场模型研究方面的进展,概述了模型的描述以及建模的理论基础和方法.     

地球磁层的磁场模型

1958年卫星探测发现了磁层,至今已有半个世纪,对磁层电场、电流体系、磁场、粒子分布和等离子体波的探测研究构成了空间物理的重要内容,其结果是各种磁层模型的出现.本文简要综述磁层磁场建模的基本原理、方法和发展历史,对十几种重要的磁层模型的特点、局限性和适用范围进行了对比分析,以Tyganenko模型为例,讨论了磁层模型发展的趋势.     

二十世纪的地球偶极子磁场

1900~2000年的IGRF(国际地磁参考场)资料使研究20世纪中地磁场的变化规律成为可能,在20世纪中,即使从19世纪起,地球偶极子磁场发生了较大的变化,偶极矩一直保持衰减的势头,地心轴的所有3个分量都是减小的.地磁南极的位置变化在1930年左右发生大的转折,1960年起向西和向南快速移动,偶极子轴在纬度方面变化只有1°左右,经度变化在3°左右,离磁极倒转的条件差得远.     

地球电场与地球磁场的形成机理

为探讨地球磁场的形成机理,应用经典电磁理论以微分的思维方式建立起三种自激发电机模型,用球形自激发电机模型简明地描述地球磁场的形成和分布;从分析地轴参考系中相对于自转地球静止的电荷间洛仑兹力的特点以及地球上的电荷在地球电场和地球磁场作用下的漂移规律,阐述中心磁场的形成及反转机理;分析电荷相对于地球的漂移以阐述偏磁场的形成.理论分析表明:地球上每一点的磁场都可以看成是由该点的几个分磁场叠加而成;地球具有自身的电场;地球电场与地球磁场同时产生、同时变化,且都源自于地球的自转和地球上正负电荷的非对等分布.     

地球和空间的磁场监测

有了地磁观测台站的数据,地球物理学家即使不离开地面也可以洞察我们这颗行星的内部情况以及近地空间的环境。     

地球主磁场的NOC模型

从1900~2000年国际参考地磁场球谐模型系列出发, 建立一种新的地磁场模型──自然正交分量模型, 简称NOC模型. 首先, 由IGRF1900-2000的高斯系数求出地磁场的本征模; 然后, 以此作为基函数系, 将每一年代的磁场展开, 求出各本征模的强度系数, 即可得到表示地球主磁场空间结构和时间变化的NOC模型. 对NOC模型的收敛特征和基函数的稳定性进行了数值检验, 结果表明, 与传统的IGRF球谐模型相比, NOC模型具有级数短、收敛快的特点；在所研究的100年内, 低阶NOC基函数比较稳定, 而高阶基函数有较大的变化. 讨论了NOC模型基函数的物理内涵, 并揭示了地磁场的空间结构及其长期变化之间的内在联系.     

全球强震与地球自转角加速度变化过程关系统计研究

统计分析了1962—2017年全球强震活动与地球自转角加速度变化过程的关系, 结果显示, 全球8级以上地震发生在地球自转角加速度下降期的概率相对自然概率高出12%, 达到64%, 统计结果具有显著性, 但7.5级和7.8级以上地震的统计结果没有显著性。 分区统计结果表明, 全球强震活动具有明显的区域性特征: 在地球自转角加速度上升期, 高于自然概率的强震主要分布在阿尔卑斯带中西段、 环太平洋地震带的琉球—菲律宾地区以及中国东部; 在地球自转角加速度下降期, 高于自然概率的强震主要分布在环太平洋地震带、 阿尔卑斯带中段(喜马拉雅弧)、 阿尔卑斯带东段(印尼岛弧海沟)以及中亚大陆地区。 分析认为地球自转角加速度变化过程与全球区域地震活动之间存在较强的相关性, 可能与地球自转角加速度变化引起板块间相互作用的强弱有关。     

腾冲火山起源的地球物理和地球化学研究进展

腾冲新生代火山位于印度板块与欧亚板块碰撞边界上.该区域构造活动强烈,火山具有潜在的喷发性,研究腾冲火山起源对于认识板块俯冲过程、火山活动规律具有重要意义.本文总结了近年来腾冲火山起源的最新进展,包括地球物理和地球化学的新成果,探讨了火山岩浆来源和火山形成的深部动力学机制.这些研究发现腾冲火山的形成主要与板块俯冲有关,早期俯冲形成的残余大洋板片和现今俯冲的印度板块都可能是交代物质的来源,大洋板片在深部释放融流体形成富集软流圈地幔和岩石圈地幔.后期岩石圈的伸展作用可能诱导了富集软流圈地幔的部分熔融,导致岩浆物质喷出地表.根据⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与SiO₂的相关性,得到腾冲玄武岩遭受到地壳混染作用不明显,而安山岩和英安岩遭受地壳混染作用明显.地球物理成像显示腾冲火山下方地壳中有不同尺度的岩浆囊,其中上地壳有若干小岩浆囊,在中下地壳有大岩浆囊.地震成像显示地壳中的低速体向下延伸至上地幔,很可能反映地壳中的岩浆囊有地幔热物质的持续供给.     

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.     

关于地球起源的几个问题

本文评述了有关地球起源的几个问题:地球物质的来源、地球形成方式和时间、地球形成过程中的能量平衡和地核的形成。     

菲律宾海板块西缘强震活动与地球自转角加速度变化关系研究

统计分析了1962~2016年菲律宾海板块与欧亚板块挤压带俯冲带强地震活动与地球自转角加速度变化间的关系。结果显示,研究时段菲律宾海板块西边缘带的25次强地震活动(MS≥7.5)有21次都发生在地球自转角加速度上升期,表明该地区强地震活动与地球自转角加速度之间存在相关性,最后讨论了这种相关性可能的力学机理。     

关于地球起源的几个问题

本文评述了有关地球起源的几个问题:地球物质的来源、地球形成方式和时间、地球形成过程中的能量平衡和地核的形成。     

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。     

地球磁层顶磁场重联的动力学过程

用三维可压缩MHD数值模拟研究了在磁场重联过程中电子压力梯度项的效应研究结果发现在较高等离子体β,较小离子惯性尺度条件下,广义欧姆定理中压力梯度项在重联过程的作用不可忽略.在磁重联过程中,压力梯度项虽然没有明显改变磁场拓扑结构和重联速度,但它使电子和离子速度明显增大.由于在离子惯性尺度下,离子和电子运动解耦,电子是电流的主要载流子,所以场向电流也增大,并导致核心磁场明显增大.考虑到场向电流是磁层电离层耦合的一个重要因素,所以电子压力梯度项的引入加强了行星际磁场南向期间磁层电离层的耦合.电子压力梯度项还在重联区激发了波动,该波动可向重联区外传播.     

地球磁层顶磁场重联的动力学过程

用三维可压缩MHD数值模拟研究了在磁场重联过程中电子压力梯度项的效应研究结果发现在较高等离子体β,较小离子惯性尺度条件下,广义欧姆定理中压力梯度项在重联过程的作用不可忽略.在磁重联过程中,压力梯度项虽然没有明显改变磁场拓扑结构和重联速度,但它使电子和离子速度明显增大.由于在离子惯性尺度下,离子和电子运动解耦,电子是电流的主要载流子,所以场向电流也增大,并导致核心磁场明显增大.考虑到场向电流是磁层电离层耦合的一个重要因素,所以电子压力梯度项的引入加强了行星际磁场南向期间磁层电离层的耦合.电子压力梯度项还在重联区激发了波动,该波动可向重联区外传播.     

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。