地磁學(xué)第四章

地磁學(xué)第四章第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日長期變化的基本特征：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)度方向向西進動；3、偶極子每年以0.02的速度沿緯度方向向北移動；4、非偶極子場每年以0.2的速度沿經(jīng)度方向向西漂移；5、非偶極子場每年以10nT量級的速度增減；6、地磁場的長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的西向漂移是地磁場長期變化最主要的兩個全球性特征。磁矩減小、西漂和年變西漂是最主要的特征。主要問題，長期變化的原因和實際意義不清。第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日

從倫敦、巴黎和羅馬的資料可以推測，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。長期變化的主要特征是：地磁要素的“西向漂移”，偶極子場和非偶極子場都有西向漂移。且偶極子磁矩的衰減和非偶極子場的西向漂移都具有全球性質(zhì)。各大陸不同時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。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。5、非偶極子每年以10納特量級的速度增減。6、地磁場每年以0.3度的速度沿經(jīng)度西進。主要問題，長期變化的原因和實際意義不清?！厍虼艌鲩L期變化特征:第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日地磁場長期變化的研究一、偶極子磁矩的衰減二、西向漂移速度的計算１、高斯系數(shù)的西向漂移2、非偶極場的西向漂移3、非偶極子場的西向漂移速度第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日長期變化的研究第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日也可直接計算非偶極子磁場的長期變化來求得西向漂移速度。非偶極子磁場的長期變化可表示為 （3.3-3）其中第一項為非漂移部分，第二項是漂移部分，V是漂移速度。第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日一些重要的參考文獻：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年非偶極子磁場的全球變化.地球物理學(xué)報,1999,42(2):1691775、徐文耀《地球的電磁物理學(xué)》中國科技大學(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第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日４.2地磁場的短期變化一、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九頁，共二十四頁，2022年，8月28日——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。按其變化特征可分為兩類：（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：●以24小時為周期的變化；短期變化的磁場第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日白天變化大，夜間變化??；夏季變化大，冬季變化小；同一地點、不同日期，則日變化變化不相同；同一磁緯度的不同地點，日變化變化形態(tài)及幅度相同：同一地點，不同地磁要素受影響程度不一樣。第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日（2）擾動變化（粒子流擾動場DCF,環(huán)電流擾動場DR,地磁亞暴DP1,太陽擾日變化SD,極蓋區(qū)磁擾DPC,地磁脈動P）

——偶然發(fā)生的、短暫而復(fù)雜的變化。強度大的磁擾動變化，稱為“磁暴”。特點：變化劇烈（強度可達幾百～上千nT）、無規(guī)律，持續(xù)時間為幾小時～幾天。第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日二、分類：（一）平靜變化：太陽日變化、太陰日變化１、以一天為周期，對每一個分量都有變化，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。第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日（二）干擾變化：磁暴、擾動和脈動（具體的有七種）一般分為粒子流擾動場DCF、環(huán)電流擾動場DR、地磁亞暴DP1、太陽擾日變化SD、極蓋區(qū)磁擾DPC、地磁脈動P和地磁鉤擾Cr。粒子流擾動場是依賴于世界時的持續(xù)時間約為1—6h的磁擾，擾動幾乎是全球同時出現(xiàn)的，主要導(dǎo)致地磁場的水平分量增強。環(huán)電流擾動場是依賴于世界時的持續(xù)時間約為1—3天的磁擾，主要導(dǎo)致地磁場的水平分量減弱。地磁亞暴和太陽擾日變化主要是依賴于地方磁時的持續(xù)時間約為1—3h的海灣形磁擾，常稱為灣擾極蓋區(qū)磁擾是局限于極蓋地區(qū)的復(fù)雜磁擾，擾動是經(jīng)常性的，幾乎每日每時都可以觀察到這種擾動。地磁脈動是周期一般為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)時間約為幾十分鐘的短促而較光滑的鉤形磁擾。第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日4.3太陽活動和太陽黑子一、太陽的相關(guān)知識1.太陽內(nèi)部

太陽內(nèi)部大致可分成三個區(qū)域：核心區(qū)、中間層和對流層。由日心向外到0.25R⊙（R⊙.是太陽半徑）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1.56×107k，物質(zhì)密度高達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；從中間層頂部開始進入對流層，向外徑厚度約為0.14R⊙的以對流傳能為主的對流層到達該層之頂端，溫度從5×105k降至6.6×103k，密度從10-2g·cm-3到4×10-7g·cm-3，再往外就進入了太陽大氣的底部。太陽黑子：溫度較低的氣體旋窩（4500度）2、太陽大氣根據(jù)太陽大氣物質(zhì)密度的稀釋情況及物理性質(zhì)的變化，近似地把太陽大氣由內(nèi)向外分成三層：太陽光球?qū)?，太陽色球?qū)雍腿彰釋?。光球?qū)邮翘柎髿獾牡讓?，色球?qū)泳又校彰釋訛樽钔鈱?。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。第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日3．太陽活動可以觀測到的太陽活動主要發(fā)生在太陽大氣的各層之中。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，成為主要的太陽活動現(xiàn)象。這些活動現(xiàn)象所在區(qū)域，稱為太陽活動區(qū)或太陽活動中心。4、太陽及太陽活動與地磁場的關(guān)系：1）太陽是一個氣態(tài)球體，本身具有磁場，太陽大氣是等離子體，存在帶電離子，在太陽磁場的作用下，可以形成電流場和新的磁場，并通過太陽活動將帶電離子和磁場代入星際空間與地磁場相互作用；2）太陽自轉(zhuǎn)周期約為27天，帶來一些地磁場變化27天周期性；3）太陽黑子活動強烈與否與磁暴的強烈與否直接相關(guān)，并有11年的周期性；太陽活動向地球或星際空間噴射/輻射帶電離子體；4）太陽活動可分為粒子輻射和光輻射；稱為K變化和非“K‘變化。K變化：太陽輻射的高速等離子體達到地面與地磁場相互作用而產(chǎn)生變化磁場，引起干擾；非K變化：是太陽紫外輻射是地球大氣層電離，電離層在地磁場中運動產(chǎn)生附加磁場，引起平靜變化。第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日StudyPeelsBackMoreoftheMagneticSun

byPhilBerardellionMarch12,201012:2Researchershavediscoveredthatoneofthemysteriousforcesthatsweepthesun'ssurfaceshowsanunexpectedlystrongconnectionwiththenumberofsunspots,magneticdisturbancesthatcanaffectEarth'sweatherandtelecommunications.Thefindingsshouldimprovepredictionsofthesun'sdynamicsandmightevenhelpscientistsdevelopbetterclimatemodels.Alongwithheatandlight,thesunemitsx-raysandmagneticallychargedparticlesthatcanendangerastronauts,frycircuitsaboardsatellitesorbitingEarth,andoverloadelectricpowerlinesontheground.Becauseofthosepotentialthreats,forseveraldecadesscientistshavebeenexaminingthesun'smagneticbehavior,particularlywhatdrivesits11-yearsunspotcycle,whichatitspeakgeneratesdozensofthemagneticdisturbancesadayandcangiverisetogiganticstorms,someof第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日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.第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日4.4地磁指數(shù)和國際地磁靜擾日一、定義：1、用來描述變化磁場干擾