地磁學(xué)第四章

地磁學(xué)第四章第1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一長(zhǎng)期變化的基本特征：1、偶極子磁矩每年以0.05%的速度衰減；2、偶極子每年以0.05的速度沿經(jīng)度方向向西進(jìn)動(dòng)；3、偶極子每年以0.02的速度沿緯度方向向北移動(dòng)；4、非偶極子場(chǎng)每年以0.2的速度沿經(jīng)度方向向西漂移；5、非偶極子場(chǎng)每年以10nT量級(jí)的速度增減；6、地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化本身每年約以0.3的速度向西漂移。其中偶極子磁矩的衰減和非偶極子場(chǎng)的西向漂移是地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化最主要的兩個(gè)全球性特征。磁矩減小、西漂和年變西漂是最主要的特征。主要問(wèn)題，長(zhǎng)期變化的原因和實(shí)際意義不清。第2頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

從倫敦、巴黎和羅馬的資料可以推測(cè)，磁偏角的變化周期約為500年。此外，偶極子磁矩逐年也有微小的改變。長(zhǎng)期變化的主要特征是：地磁要素的“西向漂移”，偶極子場(chǎng)和非偶極子場(chǎng)都有西向漂移。且偶極子磁矩的衰減和非偶極子場(chǎng)的西向漂移都具有全球性質(zhì)。各大陸不同時(shí)期的地磁偏角和古緯度1、偶極子磁矩每年以0.05%的速度衰減。2、偶極子每年以0.05度的速度沿經(jīng)度西進(jìn)。3、偶極子每年以0.02度的速度沿緯度北漂。4、非偶極子每年以0.2度的速度沿經(jīng)度西進(jìn)。5、非偶極子每年以10納特量級(jí)的速度增減。6、地磁場(chǎng)每年以0.3度的速度沿經(jīng)度西進(jìn)。主要問(wèn)題，長(zhǎng)期變化的原因和實(shí)際意義不清。※地球磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化特征:第3頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的研究一、偶極子磁矩的衰減二、西向漂移速度的計(jì)算１、高斯系數(shù)的西向漂移2、非偶極場(chǎng)的西向漂移3、非偶極子場(chǎng)的西向漂移速度第4頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一長(zhǎng)期變化的研究第5頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一也可直接計(jì)算非偶極子磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化來(lái)求得西向漂移速度。非偶極子磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化可表示為 （3.3-3）其中第一項(xiàng)為非漂移部分，第二項(xiàng)是漂移部分，V是漂移速度。第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一些重要的參考文獻(xiàn)：1、GlatzmairGA,RobertsPH.Rotationandmagnetismofearth’sinnercore.Science,1996,274:188718912、GlatzmairGA,RobertsPH.Simulatingthegeodynamo.ContemporaryPhys,1997,38(4):2692883、KuangW,BloxhamJ.Anearth-likenumericaldynamomodel.Nature,1997,389:3713744、安振昌,王月華.19002000年非偶極子磁場(chǎng)的全球變化.地球物理學(xué)報(bào),1999,42(2):1691775、徐文耀《地球的電磁物理學(xué)》中國(guó)科技大學(xué)出版社6、傅承義等《地球物理學(xué)基礎(chǔ)》科學(xué)出版社1985第8頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一４.2地磁場(chǎng)的短期變化一、主要特征：１、平靜變化和干擾變化２、周期變化和非周期變化３、起源于地球外部的電流體系第9頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一——是指主要起源于固體地球外部的各種電流體系產(chǎn)生的磁場(chǎng)。按其變化特征可分為兩類(lèi)：（1）平靜變化（日變化）

——連續(xù)出現(xiàn)的，比較有規(guī)律且有一定周期的變化。特點(diǎn)：●以24小時(shí)為周期的變化；短期變化的磁場(chǎng)第10頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一白天變化大，夜間變化?。幌募咀兓?，冬季變化小；同一地點(diǎn)、不同日期，則日變化變化不相同；同一磁緯度的不同地點(diǎn)，日變化變化形態(tài)及幅度相同：同一地點(diǎn)，不同地磁要素受影響程度不一樣。第11頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）擾動(dòng)變化（粒子流擾動(dòng)場(chǎng)DCF,環(huán)電流擾動(dòng)場(chǎng)DR,地磁亞暴DP1,太陽(yáng)擾日變化SD,極蓋區(qū)磁擾DPC,地磁脈動(dòng)P）

——偶然發(fā)生的、短暫而復(fù)雜的變化。強(qiáng)度大的磁擾動(dòng)變化，稱(chēng)為“磁暴”。特點(diǎn)：變化劇烈（強(qiáng)度可達(dá)幾百～上千nT）、無(wú)規(guī)律，持續(xù)時(shí)間為幾小時(shí)～幾天。第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、分類(lèi)：（一）平靜變化：太陽(yáng)日變化、太陰日變化１、以一天為周期，對(duì)每一個(gè)分量都有變化，一般為n-幾十nT.2、白天變化大、晚上變化小，并有季節(jié)和緯度分布的變化。第13頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（二）干擾變化：磁暴、擾動(dòng)和脈動(dòng)（具體的有七種）一般分為粒子流擾動(dòng)場(chǎng)DCF、環(huán)電流擾動(dòng)場(chǎng)DR、地磁亞暴DP1、太陽(yáng)擾日變化SD、極蓋區(qū)磁擾DPC、地磁脈動(dòng)P和地磁鉤擾Cr。粒子流擾動(dòng)場(chǎng)是依賴(lài)于世界時(shí)的持續(xù)時(shí)間約為1—6h的磁擾，擾動(dòng)幾乎是全球同時(shí)出現(xiàn)的，主要導(dǎo)致地磁場(chǎng)的水平分量增強(qiáng)。環(huán)電流擾動(dòng)場(chǎng)是依賴(lài)于世界時(shí)的持續(xù)時(shí)間約為1—3天的磁擾，主要導(dǎo)致地磁場(chǎng)的水平分量減弱。地磁亞暴和太陽(yáng)擾日變化主要是依賴(lài)于地方磁時(shí)的持續(xù)時(shí)間約為1—3h的海灣形磁擾，常稱(chēng)為灣擾極蓋區(qū)磁擾是局限于極蓋地區(qū)的復(fù)雜磁擾，擾動(dòng)是經(jīng)常性的，幾乎每日每時(shí)都可以觀察到這種擾動(dòng)。地磁脈動(dòng)是周期一般為0.2—1000s的各種短周期變化。地磁鉤擾是一種只在白天發(fā)生的持續(xù)時(shí)間約為幾十分鐘的短促而較光滑的鉤形磁擾。第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.3太陽(yáng)活動(dòng)和太陽(yáng)黑子一、太陽(yáng)的相關(guān)知識(shí)1.太陽(yáng)內(nèi)部

太陽(yáng)內(nèi)部大致可分成三個(gè)區(qū)域：核心區(qū)、中間層和對(duì)流層。由日心向外到0.25R⊙（R⊙.是太陽(yáng)半徑）是核心區(qū)。其中發(fā)生氫核聚變?yōu)楹ず说臒岷说姆磻?yīng)，產(chǎn)生能量溫度高達(dá)1.56×107k，物質(zhì)密度高達(dá)158g.cm-3；從0.25R⊙到大約0.86R⊙的部分是中間層，溫度由中間層的底部的8×106k降到頂部的5×105k，密度由20g·cm-3降到10-2g·cm-3，能量以輻射與散射形式外傳；從中間層頂部開(kāi)始進(jìn)入對(duì)流層，向外徑厚度約為0.14R⊙的以對(duì)流傳能為主的對(duì)流層到達(dá)該層之頂端，溫度從5×105k降至6.6×103k，密度從10-2g·cm-3到4×10-7g·cm-3，再往外就進(jìn)入了太陽(yáng)大氣的底部。太陽(yáng)黑子：溫度較低的氣體旋窩（4500度）2、太陽(yáng)大氣根據(jù)太陽(yáng)大氣物質(zhì)密度的稀釋情況及物理性質(zhì)的變化，近似地把太陽(yáng)大氣由內(nèi)向外分成三層：太陽(yáng)光球?qū)?，太?yáng)色球?qū)雍腿彰釋?。光球?qū)邮翘?yáng)大氣的底層，色球?qū)泳又?，日冕層為最外層。光球的物質(zhì)密度從其底部的4×10-7g·cm-3向外降至光球頂部8×10-8g·cm-3，色球?qū)泳又?，密度由光球頂部?×10-8g·cm-3降到色球頂部的10-14g·cm-3，日冕層則從10-14g·cm-3向外一直下降到行星際空間的極低的密度。第15頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3．太陽(yáng)活動(dòng)可以觀測(cè)到的太陽(yáng)活動(dòng)主要發(fā)生在太陽(yáng)大氣的各層之中。在光球上出現(xiàn)的黑子和光斑，在色球中產(chǎn)生的耀斑、譜斑和日珥，在日冕中形成的日冕凝聚區(qū)等，成為主要的太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象。這些活動(dòng)現(xiàn)象所在區(qū)域，稱(chēng)為太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)或太陽(yáng)活動(dòng)中心。4、太陽(yáng)及太陽(yáng)活動(dòng)與地磁場(chǎng)的關(guān)系：1）太陽(yáng)是一個(gè)氣態(tài)球體，本身具有磁場(chǎng)，太陽(yáng)大氣是等離子體，存在帶電離子，在太陽(yáng)磁場(chǎng)的作用下，可以形成電流場(chǎng)和新的磁場(chǎng)，并通過(guò)太陽(yáng)活動(dòng)將帶電離子和磁場(chǎng)代入星際空間與地磁場(chǎng)相互作用；2）太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周期約為27天，帶來(lái)一些地磁場(chǎng)變化27天周期性；3）太陽(yáng)黑子活動(dòng)強(qiáng)烈與否與磁暴的強(qiáng)烈與否直接相關(guān)，并有11年的周期性；太陽(yáng)活動(dòng)向地球或星際空間噴射/輻射帶電離子體；4）太陽(yáng)活動(dòng)可分為粒子輻射和光輻射；稱(chēng)為K變化和非“K‘變化。K變化：太陽(yáng)輻射的高速等離子體達(dá)到地面與地磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，引起干擾；非K變化：是太陽(yáng)紫外輻射是地球大氣層電離，電離層在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，引起平靜變化。第16頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一StudyPeelsBackMoreoftheMagneticSun

byPhilBerardellionMarch12,201012:2Researchershavediscoveredthatoneofthemysteriousforcesthatsweepthesun'ssurfaceshowsanunexpectedlystrongconnectionwiththenumberofsunspots,magneticdisturbancesthatcanaffectEarth'sweatherandtelecommunications.Thefindingsshouldimprovepredictionsofthesun'sdynamicsandmightevenhelpscientistsdevelopbetterclimatemodels.Alongwithheatandlight,thesunemitsx-raysandmagneticallychargedparticlesthatcanendangerastronauts,frycircuitsaboardsatellitesorbitingEarth,andoverloadelectricpowerlinesontheground.Becauseofthosepotentialthreats,forseveraldecadesscientistshavebeenexaminingthesun'smagneticbehavior,particularlywhatdrivesits11-yearsunspotcycle,whichatitspeakgeneratesdozensofthemagneticdisturbancesadayandcangiverisetogiganticstorms,someof第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一whichsweeppastEarth.Onecuriousaspectofthesolarcycleismeridionalflow,whichactslikeaconveyorbeltcarryingmagnetismtothesun'spoles.Scientistshaven'tbeenabletomodelitaccuratelyordeterminehowitmightbeconnectedtothesunspotcycle.SolarscientistsDavidHathawayofNASA'sMarshallSpaceFlightCenterinHuntsville,Alabama,andLisaRightmireoftheUniversityofMemphisinTennesseesetouttodeterminehowmeridionalflowcorrelateswithvariationsinthesunspotcycle.UsingdatacollectedbytheSolarandHeliosphericObservatory(SOHO),aspacecraftlaunchedjointlybyNASAandtheEuropeanSpaceAgency,thetwoscientiststrackedthemotionofsmallzonesofmagnetismonthesun'ssurfacecarriedpolewardbymeridionalflow.TheyusedSOHOdatacollectedevery8hoursfromnearlyallofthemostrecentsunspotcycle,whichendedinDecember2009.(ThedataherewentuntilJune2009.)Thoseobservationsrevealedthatasthenumberofsunspotsdeclined,themeridionalflowdidtheopposite.Itsaveragespeedincreasedfromabout30kilometersperhouratthepeakofthesolarcycle,in2000and2001,toover47kmperhourin2008and2009,afterthesolarcycleshouldhaveendedbutwasstilllingering.HathawayandRightmirereporttheirfindingsintoday'sissueofScience.Butknowingthatthemeridionalflowcorrelateswiththenumberofsunspots—andmayevenbedrivingthem—doesn'tsolveeverymysteryhere.Forexample,thissolarcyclelastedlongerthannormal,andthemeridionalflowspedupunexpectedlytowardtheend—whythishappenedremainsa"bigunknown,"saysHathaway.Studyingtheflowinearliersunspotcyclesmighthelpusunderstandthat,althoughthosedataaremuchlessdetailedthanthosefromSOHO."We'regettinginformationthatcantestourideasabouthowthesunspotcycleworks,"sayssolarphysicistNeilSheeleyoftheU.S.NavalResearchLaboratoryinWashington,D.C.Thefindingsshouldalsohelpclimatescientistsrefinetheirlong-termmodels,sayssolarphysicistPhilipJudgeoftheNationalCenterforAtmosphericResearchinBoulder,Colorado.Althoughourunderstandingofmeridionalflowremains"crude,"hesays,thestudyimprovestheabilitytomeasureit,andthiscouldhelprefinethesun'sinfluenceonlong-termclimatemodels.That'simportant,Judgesays,becausetheflowisconnectedtothesolarcycle,andthecycleishelpingtodriveshiftsinclimate.第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4地磁指數(shù)和國(guó)際地磁靜擾日一、定義：1、用來(lái)描述變化磁場(chǎng)干擾程度的度