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.

     

中国地区地磁急变特征对地磁场长期加速度的响应

研究中国地区地磁急变（jerks）和地磁长期加速度（secular acceleration,SA）的响应关系,有助于深入了解地磁急变区域特征,并为地磁急变的地核动力学起源研究提供有用信息.本文利用中国地磁台站观测数据和CHAOS-7磁场模型,研究了自2000年以来中国地区地磁急变和地磁长期加速度的时空响应关系.结果表明,地磁长期加速度在东半球和西半球有不同的变化特征.西半球加速度斑块主要出现在赤道附近,并呈现明显的西向漂移特征;而东半球加速度斑块则在南北和东西方向上来回运动.地磁急变与长期加速度斑块的强度和位置密切相关,地磁急变通常发生在地磁长期加速度强度（secular acceleration intensity,SAI）的极小值时期.自2000年以来,全球长期加速度强度大约在2006年、2009年、2012.5年和2016年达到极大值,而在2003年、2007年、2011年和2014年附近达到极小值.中国地区在2003年和2014年出现地磁急变,这两个年份既是东半球长期加速度强度的极小值时期,也是长期加速度正负斑块反极性的过渡时期.然而,在2007年和2011年,中国地区没有发生地磁急变现象,主要原因可能是这两个年份附近中国地区长期加速度正负斑块没有发生反极性变化,同时东半球长期加速度脉冲斑块主要分布在南半球,远离中国地区.这些脉冲斑块对中国地区地磁长期变化的影响主要表现为引起长期变化的小幅波动.

     

CHAMP卫星主磁场长期变化和长期加速度的分布特征

本文利用CHAMP卫星磁测资料建立的新一代地磁场模型POMME-4.2S,分析了全球和中国地区地磁长期变化X、Y、Z、H、F、J、D 7个分量以及长期加速度X、Y、Z3个分量的分布特征,比较了POMME-4.2S长期变化模型与中国长期变模型CGRF-SV的磁异常分布差异.主要结果表明,地磁长期变化磁四极子起主要贡献,长期加速度变化磁八极子贡献最大.2004.0年全球长期变化的减小要比增加大得多,地磁场总体在减弱.长期加速度在中低纬度地区变化较大,高纬度地区变化小.Z和Y分量磁异常沿经度方向正、负交错形成几个大片区,X分量主要正负磁异常成对分布于赤道两侧.长期加速度X、Y、Z3个分量的磁异常分布存在明显的关系:在Z异常焦点的南北两边出现X的异常焦点,东西两边出现Y的异常焦点.中国地区的长期变化和长期加速度变化量小,分布相对均匀.     

2000年中国地区地磁场长期变化的区域特征

本文用中国地磁场复测点和地磁台站资料,建立了2000年代中国参考地磁场长期变化模型CGRF-SV2000.模型显示,中国地区地磁场变化比较平缓,X、Y、Z、H、D、I、F七个地磁要素的“无符号平均年变率”分别为12.2 nT/a、8.2 nT/a、43.8 nT/a、11.8 nT/a、0.96(′)/a、2.99(′)/a、22.4 nT/a,比国际参考地磁场IGRF给出的全球年变率约小1/3到1/2.各地磁要素的变化显示,地磁北极正在向中国移近,或者说,中国正在向高地磁纬度方向移动,平均移动速度约为3(′)/a.磁偏角变化还显示,中国地区东西部偏角差异继续扩大.作为检验和对比研究,本文利用第8代国际参考地磁场（IGRF）模型,分析了全球地磁场长期变化的时空特征,讨论了全球长期变模型IGRF_SV与中国长期变模型CGRF_SV的异同点.对比分析表明,中国地区地磁场的长期变化与全球长期变化总趋势基本符合,但是,CGRF_SV也表现出一些特有的局部异常特征.     

主磁场长期变化十年至百年尺度的周期

本文运用小波变换技术,通过分析历史地磁场模型gufm1（时间跨度从1590~1990年）,考察主磁场长期变化场（B场）的周期性.结果表明,B场总磁极强度存在三个主要的周期分量：稳定的30年周期,在偶极子场的赤道分量g11和非偶极子场中较常见;频散的准50年周期,主要是由轴向偶极子分量g01贡献的,此外,四极子场也有贡献;世纪尺度的110年周期,其强度会发生变化,主要来源于偶极子场的赤道分量以及八极子场.     

The secular variation of the geomagnetic field in Egypt in the last 5000 years

The palaeo-intensities (F _a) of the geomagnetic field in Egypt at some ages are determined by archaeomagnetic measurements and found to be:F _a=36.2 T at 3100 B.C., F_a=46.8 T at 3000 B.C.,F _a=36.5 T at 2780 B.C., 49.0 T at 2500 B.C., 36.4 T at 2200 B.C., 57.5 T at 1990 B.C., 62.1 T atca 1400 B.C., 61.5 T at 1400 B.C., 69.9 T at 600 B.C., 59.3 T at 550 B.C., 79.9 T at 460 B.C., 73.7 T at 450 B.C., 69.7 T at 320 B.C., 56.2 T at A.D. 50, 64.9 T, at A.D. 400, 54.4 T at A.D. 300, 57.5 T at A.D. 700 and 43.0 T at A.D. 1975.The palaeo-inclinations (I _a) at some ages are found to be:I _a=24.2° at 420 B.C., 44° at A.D. 50, 60.7° at A.D. 703 and 42° at A.D. 1795.The measured values ofF _a are affected by the anisotropy of magnetic susceptibility of the samples by 13% to 20% of the expected correct value. The suitable correction of this effect is by multiplyingF by 1/((1+0.2(/90)) andF by 1/((1–0.13 (/90)), whereF andF are the resultant values ofF _a if the laboratory field is perpendicular or parallel to the wall of the sample during the Thelliers' experiments, respectively, and is the angle between the direction of natural remnant magnetization of the sample and the direction of the laboratory field.The results of this paper, together with the previous results for Egypt and the neighbourhoods, lead to the production of the secular variation curve of the geomagnetic field in Egypt for the last 5000 years. The intensity of the field shows a periodicity of about 400 years with multiples.     

Variability of the topographic core-mantle torque calculated from core surface flow models

With the prospect of studying the relevance of the topographic core-mantle coupling to the variations of the Earth’s rotation and also its applicability to constraining the core surface flow, we investigate the variability of the topographic torque estimated by using core surface flow models accompanied by (a) uncertainty due to the non-uniqueness problem in the flow inversion, and (b) variance originating in that of geomagnetic secular variation models employed in the inversion. Various flow models and their variances are estimated by inverting prescribed geomagnetic models at the epoch 1980. The subsequent topographic torque is then calculated by using a core-mantle boundary topography model obtained by seismic tomography. The calculated axial and equatorial torques are found subject to the variability of order 10¹⁹ and 10²⁰  Nm, respectively, on which (b) is more effective than (a). The variability of the torque is attributed even to (a) and (b) of the large-scale flows (degrees 2 and 3). Yet, it still seems unlikely for the decadal polar motion with the observed amplitude to be excited exclusively by the equatorial topographic torque associated with any of reasonable core surface flow models. It is also confirmed that, with the topography model adopted here, the axial topographic torque on a rigid annulus in the core (coaxial with the Earth’s rotation axis) associated with any of reasonable flow models is larger by two orders of magnitude than the plausible inertial torque on such cylinders. This implies that any core surface flow model consistent with the topographic coupling does not exist, unless the topography model is appropriately modified. Nevertheless, the topographic coupling might provide not only a weak constraint for explaining the decadal LOD variations, but also the possibility to probe the core surface flow and the core dynamics.     

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.     

中国地区地磁长期变化研究

采用2000~2004年中国地区34个台站的地磁日均值数据, 计算了通日和静日的平均年变率,以及静日的拟合年变率.应用上述年变率, 建立了2000.0~2005.0年代中国地区地磁场长期变化泰勒多项式模型和曲面样条模型.分析讨论了该泰勒多项式模型和曲面样条模型与国际地磁参考场长期变化模型(IGRF-SV)的异同, 结果表明,中国地区地磁长期变化的泰勒多项式模型与曲面样条模型的形态与数值是一致的,而且与IGRF-SV长期变化的趋势也是一致的,但中国地区地磁长期变化具有区域特征.     

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.     

地磁场长期变化和日长十年尺度变化的周期特征

根据历史地磁场模型GUFM1、第10代国际参考地磁场（IGRF10）模型和日长资料,采用小波变换方法,分析了地磁场磁矩、能量、西向漂移等参数的长期变化和日长十年尺度变化的周期分量及其时变特征.结果表明,1800～2005年期间,偶极子磁场长期变化有82年和48年准周期分量,它们与日长变化的周期没有直接关系.非偶极子磁场参数的长期变化与日长变化有66年和32年准周期分量,66年准周期比32年准周期强.在66年准周期分量,西向漂移比日长变化超前8.8年,非偶极子磁场能量比日长变化滞后15.6年.日长十年尺度波动和地磁场长期变化的起源不存在因果关系.     

主磁场梯度的空间分布和长期变化特征

根据GUFM1和IGRF11模型,计算1590—2010年主磁场总强度F、水平分量H和磁倾角I三个要素的水平梯度和垂直梯度,分析了它们的空间分布和长期变化特点.结果表明:F和H的垂直梯度与其磁场的空间分布类似,水平方向的梯度以及磁倾角I在3个方向的梯度都与其磁场分布有明显差异.H的3个方向的梯度分布清楚地指示出南磁极的位置.梯度的长期变化表明,北半球磁场梯度漂移缓慢,南半球磁场梯度变化较快.磁倾角的垂直梯度显示,中太平洋负异常周围的正异常在围绕该负异常旋转.近赤道的梯度异常带在60°W附近的转折是由印度洋异常向非洲方向移动所致.     

主磁场梯度的空间分布和长期变化特征

根据GUFM1和IGRF11模型,计算1590—2010年主磁场总强度F、水平分量H和磁倾角I三个要素的水平梯度和垂直梯度,分析了它们的空间分布和长期变化特点.结果表明:F和H的垂直梯度与其磁场的空间分布类似,水平方向的梯度以及磁倾角I在3个方向的梯度都与其磁场分布有明显差异.H的3个方向的梯度分布清楚地指示出南磁极的位置.梯度的长期变化表明,北半球磁场梯度漂移缓慢,南半球磁场梯度变化较快.磁倾角的垂直梯度显示,中太平洋负异常周围的正异常在围绕该负异常旋转.近赤道的梯度异常带在60°W附近的转折是由印度洋异常向非洲方向移动所致.     

20世纪地磁长期变化场分析

利用IAGA（国际地磁与高空物理学协会）编制的IGRF(国际地磁参考场)研究了20世纪地磁场变化规律. 20世纪地磁长期变化场的四极子（n=2的高斯系数所表示）变化最为显著,与主磁场相比长期变化场的球谐级数收敛较慢,利用追踪异常焦点位置随时间的变化的方法,发现地磁非偶极子长期变化场的垂直分量Z的等值图上有五大异常,其漂移情况不太统一,但是基本上是西向漂移.这种西向漂移的不一致性,在某种程度上证明了地磁场模型的正确性. 20世纪地磁场长期变化的能量谱与主磁场的不同,偶极子、 四极子和八极子的变化较明显.     

Distortion of the geomagnetic field in volcanic terrains: an experimental study of the Mount Etna stratovolcano

The inclination (I), declination (D) and total intensity (F) of the geomagnetic field were measured on Mount Etna in 1989-1991 at a dozen sites previously sampled for archeomagnetic studies. The purpose of the work was to determine the variations of these parameters at 30 cm above ground level, and how the distortion from the main field can affect the archeomagnetic record of volcanic rocks. Ten measurements were usually performed at each site with a three-component flux-gate magnetometer, whose estimated precision is ±0.2° on direction and ±50 nT on intensity. This was considered sufficient on volcanic areas with highly magnetized rocks and where the geomagnetic gradient may be in excess of 1000 nT/m. Results averaged for each site generally show small variations in intensity (±3% of the total field) and direction (±1.5°). The averaged values of the 12 sites (I=52.6°, D=0.3°, F=44010 nT) are very close to those measured in sedimentary terrain away from the volcano (I=52.9°, D=0.35°, F=44110 nT), themselves consistent with the interpolated IGRF in eastern Sicily. The largest deviations of the geomagnetic direction have been observed on four sites, three of them located on the South flank between 1900 and 700 m elevation. It is suggested that these anomalies are mainly related to dyke swarms which are common within the South Rift Zone of Mount Etna. Our findings show that reliable archeomagnetic results can be obtained from volcanic rocks, provided that lavas of the same eruption are sampled on several sites distributed over the largest possible area.     

北京地区地磁场Sq强度的季节变化和长期变化

本文利用北京地区的北京台（BJI）和北京十三陵台（BMT）的地磁场X、Y和Z分量时均值数据,研究了1960年至2013年期间该地区地磁场Sq强度的季节变化和长期变化.结果表明：（1）BJI台和BMT台的地磁场Sq不仅变幅相近,而且具有一致的地方时变化、季节变化、太阳活动周变化和长期变化.（2）BJI台和BMT台Sq强度的逐月变化,其中A_Sq（X）主要表现为春秋增强而冬夏减弱的季节变化.A_Sq（Y）呈现出夏季增强的半年变化.A_Sq（Z）变化较为复杂.虽然在5月和9月出现减小,但是总体来看,其变化曲线也具有夏季增强的半年变化特征.同时,Sq强度与太阳活动F₁₀₇指数之间存在明显的正相关关系,具有一致的11年太阳活动周变化和长期变化,反映出了Sq与太阳活动之间的密切关系.（3）BJI台和BMT台Sq强度差值dA_Sq表明,在大多数年份,两个台站的Sq强度之差一般不超过±2 nT,同时没有明显的季节或年周期变化特征.在2000年和2001年太阳活动高年,dA_Sq出现显著增强,最大可达12.3 nT.反映出了北京地区Sq场强度梯度的剧烈扰动与太阳活动之间的密切关系,意味着在太阳活动高年,Sq电离层发电机电流的局部结构可能发生了明显的改变.

     

基于复杂度理论的地磁变化场时间序列特征分析

复杂度理论为研究地磁变化场提供了新思路和新途径.地磁变化场从物理起源上可以看作是一种复杂系统,因此,本文从军事工程应用需求出发,基于复杂度理论,提出运用样本熵、多尺度熵及滑动窗样本熵方法对不同磁扰程度下的地磁变化场时间序列进行复杂度特征分析,结果表明：（1）样本熵和多尺度熵能够很好地表征地磁扰动强度及演化特征,启发我们可设计一种新的“熵指数”来衡量地磁扰动大小;（2）滑动窗样本熵能够准确定位地磁扰动时间段,对于磁暴识别与预测、空间灾害性天气预警等有一定的参考价值;（3）Mackey-Glass时滞混沌方程随时间的演化呈现出与地磁场日变曲线非常相似的形态,因此,地磁变化场或许可用时滞混沌方程来表示,对于我们更好地认识地磁变化场物理机理、建模预测与地磁寻的等军事工程应用都有一定的意义.