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地球磁场及常用坐标

发布时间:2019-07-07 04:45 来源:未知 编辑:admin

  地球磁场及常用坐标_天文/地理_自然科学_专业资料。一、地球空间磁场表述 ? 地球磁场言是偶极型的,近似于把一个磁 铁棒放到地球中心,使它的北极大体上对 着南极而产生的磁场形状,但并不与地理 上的南北极重合,存在磁偏角。当然,地 球中心并没有磁铁棒

  一、地球空间磁场表述 ? 地球磁场言是偶极型的,近似于把一个磁 铁棒放到地球中心,使它的北极大体上对 着南极而产生的磁场形状,但并不与地理 上的南北极重合,存在磁偏角。当然,地 球中心并没有磁铁棒,而是通过电流在导 电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。 描述地磁场的参量共有 7 个,它们是:总强度、水平分量、垂直分量、倾角、 偏角、东向分量、北向分量。这 7 个参量只有 3 个是独立的。 地球空间磁场是一个矢量场, 确定空间任一点 P 的磁场所需要的 3 个独立分 量,称为地磁要素。 各地磁要素之间的关系如下: F2 ? X2 ?Y 2 ? Z2 H2 ? X2 ?Y 2 Y ? H sin D Z ? H tan I tan I ? Z / H tan D ? Y / X 地磁场方向角的单位是度分秒;国际通用的磁通量密度单位是 nT,更经常用 ? 表示,有时也用高斯作单位。单位间的关系是: 1T(tesla) = 10 nT = 10 gauss, 1nT = 1? = 10 gauss。 -5 9 4 地表上地磁场大小,在磁赤道约为 3?10 nT 的量级;在磁极处, 4 约为 6?10 nT 的量级。 4 武汉地磁各地磁要素如下: 地磁总强度:49316.5nT; 磁偏角:-3.73?; 磁倾角:45.98?; 北向分量:34200.2nT; 东向分量:2227.9nT; 垂直分量:35461.3nT; 水平分量 34272.7nT。 常用坐标系 地理坐标系(Geographical coordinates) 该坐标系是相对地球固定的坐标系,原点在地心,坐标 r,?,?分别是地心距、余纬(由 地理北极起算)和经度(从格林尼治子午线起算,向东为正,经度超过 180“为西经),有时 以赤道为纬度 0?,向南北与赤道面夹角分别为南北纬,向北为正,向南为负。 偶极坐标系(Dipole coordinates) 它是以地心为原点的球面极坐标系,以过地球中心的偶极轴为极轴,与地球自旋轴的夹角 为 11.2?。有时把偶极坐标系也称为地磁坐标系。该坐标系涉及到的一些概念定义如下: 偶极赤道:与中心偶极子垂直的大圆; 偶极子午面:通过偶极子两极的大圆; 偶极经度?h:过地球表面一点的偶极子午面与过地理极的偶极子午面之间的夹角; 偶极纬度?m:该点与地心连线与偶极赤道的夹角; 偶极地方时:地面一点的偶极经度与当时日下点的偶极经度,单位为小时; 偶极正午:与日下点偶极经度相同,该点此刻为偶极正午; 偶极子夜:与日下点的偶极经度相差 180?。 由于这一坐标系是以地磁场为基础的坐标系,所以地磁坐标常专指偶极坐标系,偶极经 度、偶极纬度、偶极赤道、偶极时又称地磁经度、地磁纬度、地磁赤道和磁地方时。 地心-太阳黄道坐标系(Geocentric Solar-Ecliptic coordinate) 该坐标系是又常称太阳黄道坐标系,简称 GSE 坐标系,以地心为原点的直 角坐标系。Xse 指向太阳,Zse 轴垂直于黄道面,Yse 轴与它们构成右手坐标系。 地 心 太 阳 磁 层 坐 标 系 ( Geocentric coordinates) Solar - Magnetospheric 该坐标系是又常称为太阳磁层坐标系,简称 GSM 坐标系,以地心为原点的 直角坐标系, Xsm 轴指向太阳, Zsm 轴在 Xsm 轴与地球磁偶极轴确定的平面内,与 兄。轴垂直,Ysm 轴与兄。轴和 Zsm 轴构成右手坐标系。 订正偶极坐标系(Corrected Dipole coordinates) 该坐标系又叫“订正地磁坐标系”(Corrected GeoMagnetic coordinaies), 是以实际地磁场来订正(或改进)的坐标系。在研究沿磁力线传播的现象时很 有用处。当用于研究极区现象时,地球表面任意一点的两个坐标是订正偶极经 度(corrected dipole longitude)和订正偶极纬度(corrected dipole latitude)。它们定义为:从地面一点 Q 出发的偶极子磁力线与赤道交于 A 点,通过 A 点的实际磁力线(包括非偶极场)又与地面交于 Q?点,Q?的地理经 纬度即为 Q 点的订正偶极经纬度。 ? 地磁场的构成 地球空间磁场由两部分构成,包括源于地球内部的内源场和 源于地球上空电流体系的外源场。 内源场是地球空间磁场的主要部分,称为主磁场,习惯上称 基本磁场,这部分磁场很稳定,只有缓慢的长期变化。 内源 目前认为,地球基本磁场起源于地球内部,内源场主要由地 球内部熔化了的金属核流动引起。这种流体运动,随时间有 很缓慢的变化,从而引起主磁场的长期变化。液体金属核的 涡旋运动产生大尺度的磁异常,也叫世界磁异常;地壳内的 磁性物质的复杂分布产生了尺度较小的局部磁异常。 地球表面地磁总强度等值线 年)。等值线单位:nT。 图中左上角和右下角的两个极大代表南北半球地磁极所在区域。 南美洲东海岸 及其附近海域的极小,通常称作南大西洋磁异常;东西伯利亚的极大曾经被认 为是另一个磁极,实际上是大陆磁异常。 外源场主要是变化磁场,包括宁静变化场和扰动变化场。 外源 按照电磁场理论, ? ? H=J ,电流可以产生磁场。 地球空间的某些区域存在空间电流系, 地球外源场主要由这些空 间电流系产生。 空间电流系包括磁层电流和电离层电流。 它引起 地磁场的短期扰动变化。 地磁场最快的周期性变化是地磁脉动, 变化周期最高可达到几十 Hz,规则变化有周日变化、季节变化以及与太阳 11 年活动周期 有关的长期变化等。 扰动变化有磁暴、磁亚暴和其它与太阳风有关的不规则起伏。 ? 空间电流系 ? 磁层顶电流 磁层顶电流是太阳风与地球磁场作用形成的 电流片。 位于磁层磁场与行星际磁场的交界区域, 即磁层的 外边界。在向日的一侧,磁层顶电流向东流动,即沿晨-昏 方向横越磁层的日下点。 电流强度的变化依赖行星际磁场的 方向和强度。 ? 磁尾电流 磁尾中性片电流由等离子体片粒子的定向运动 形成。 磁尾中性片把磁尾分成磁场方向相反的两瓣。 宁静时 电流密度约 5~50 nA· m-2。电流指向西,即由晨侧越过磁尾 流向昏侧,在磁层顶的尾部与磁层顶电流形成回路。 磁层电流系示意图 ? 环电流 环电流是在地心距 3~7RE 的空间区域绕地球的由东朝西方向 流动的电流, 由地磁场捕获的低能质子维持。 环电流平静时位于 2.5~ 4RE 之间,磁暴时离地球稍远。磁平静时环电流总强度为 10 A 量级, 发生磁暴和亚暴时可增强几倍。 ? 部分环电流 部分环电流是亚暴期间从等离子体片注入到辐射带的 粒子漂移所形成。它产生了地面磁场变化的不对称性。 ? 场向电流 场向电流是在极光椭圆区沿磁力线流动的电流片。 场向电 流总体分为两区, 极侧称为 I 区电流, 基本流向是在晨侧流入电离层, 昏侧流出电离层;靠赤道一侧称 II 区电流,其流向与 I 区相反。场 向电流密度有明显的日变化。大部分时间内,I 区场向电流比 II 区 大。电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。 5 在不同扰动条件下场向电流的分布和流向。 ? 电离层电流 在电离层 E 层存在一个电流系, 即 Sq 电流系, S 表示太阳, q 表示宁静。 Sq 电流系的分布相对太阳是固定的, 其产生的 Sq 磁场的分布相对太阳也 是固定的。 电流系在个每半球有一个电流旋涡,中心大致在地磁纬度?30?左右的正 午子午线上。电流在北半球逆时针旋转,南半球相反。 Sq 电流系在磁倾赤道(磁倾角为零)上空?5?最强,称作赤道电集流。 Sq 电流系存在明显的周日变化和季节变化,夏至最强,冬至最弱。 Sq 电 流系生成的磁场主要影响地面及其邻近高度磁场的分布。 在极区,电离层也存在一个电流系,称作是 Sqp 。 Sqp 电流系也由两个电 流涡旋组成。一个位于极区黎明部分,电流沿着顺时针方向流动;一个 位于极区黄昏部分,电流沿着逆时针方向流动。 Sq 电流系的电流强度在地球的 向日侧比在背日侧大。这些电 流产生的水平磁场方向垂直于 这些电流并且指向电流的高 值。例如在中午,北向分量的 Sq 变化在北纬 40?和南纬 40? 之间是正值,在这个范围以外 都是负值。火箭探测表明, Sq 太阳活动低年由地磁 Sq 导出的电离层电流系。 左图是白天半球,右图是夜间半球,上图相应于两分点, 下图相应于两至点。图中等值线上的数字表示该等值线 等值线之间流过的电流强度。单位为 10 A。实线表示逆 时针旋转,虚线 公里 的高度,即在电离层的 E 层高 度。 SqP 电流系示意图 应用偶极子场模型,可以使许多空间物理问题的处理简 化,图象更清晰。 不过,由于地壳中铁质矿物分布不均匀,在地表附近, 偶极子场与实际地磁场偏差较大;另外,由于在空间存 电流系,并且太阳风对地磁场的作用使地磁场变形,在 4 个 RE 以外,偶极子场与实际地磁场偏差也较大。在这两 个区域,有时不能使用偶极子场近似。 一般情况下, 2 至 4 个 RE 范围内偶极子场与地磁场的偏差 仅 1%,是很好的近似。

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