变化磁场及等效电流体系 - 空间物理与应用技术研究所.ppt

地球电磁现象物理学PHYSICS OF ELECTROMAGNETIC PHENOMENA OF THE EARTH GEOMAGNETISM AND SPACE WEATHER (2009.11.09) §1 变化磁场的一般特点 地磁场变化的类型 一. 外源磁场的一般特点 1.外源场的时间变化特征（对比） 外源场变化的时间尺度从几十分之一秒(地磁脉动)到11年(地磁场的太阳活动周变化)，其中包括日变化、暴时变化、27日太阳自转周变化、季节变化等等。变化磁场的时间谱复盖了 秒共10个数量级。 对比： 地核场——变化缓慢 （千年量级） 地壳场——变化极慢 （万年-百万年量级） 外源场——变化较快 （秒-年量级） 图.1 海面和海底记到的变化磁场能谱 2. 外源场的空间分布特征 外源场在空间分布上的特征是它的全球性尺度和远距离空间相关性。 即一般来说，空间梯度较小，暗示着外源场的源电流体系具有很大的空间尺度。 3. 外源场的物理起源 外源场——起源于空间等离子体（磁流 体）动力学过程。地壳场——起源于岩石磁性，地核场——起源于地核等离子体（磁流 体）的动力学过程，太阳风发电机、电离层发电机和地核发电机过程遵循类似的物理方程，只是介质物理参数、边界条件和受力状态不同而已。 介质物理参数 等离子体密度，粘性系数，电导率等 边界条件 内源：外核，内核，下地幔 外源：磁层顶，电离层 受力状态 内源粘滞力必须考虑；外源较小，在一些情况下可以忽略 4. 外源场的可观测性 外源场除了可以在地面观测外，还可以借助航天器直接进入源区观测，但是地核场只能在地面和空间观测，其源区无法直接到达，因此，在可观测性方面，地核场与外源场截然不同。地壳场也基本上是这种情况，由此导致了不同磁场部分研究方法的不同。 二、变化磁场的分类 太阴日（Lunar day) 图2 中国地磁台链记录的变化磁场(1989.3.8-20.) §2 变化磁场的分析方法 台站配置——单台、双台、台链、局域台网、全球台 网、卫星等各种观测系统 观测位置——地面、低空、海底到空间各个区域 分析方法—— 单台资料（时序叠加法、傅立叶分析、本征模分析） 双台资料（对比相关分析） 台链资料（相关分析） 局域台网（冠谐、矩谐和双调和分析） 全球台网（球谐分析） 一. 单台记录分析方法 2. 谱分析 （傅立叶谱、动态谱、小波谱 ） (1) 傅立叶谱分析 图4 用一月地磁记录所做的磁静日傅立叶分析 图5 用一天地磁记录所做的磁静日傅立叶分析 (2) 动态谱分析(时间-频率分析) 图6 地磁脉动的动态谱 磁暴期间Pc5地磁脉动的小波谱图 3.本征模分析 一般谱分析的缺陷——基本函数系是事先人为选定的，谱分析的目的就是把函数表达成这些基函数的加权和。所用的基函数不一定有明确的物理意义。 改进——合理的办法是对具体的物理问题选定适合于该问题的、有物理意义的基函数。这样的函数系事先不知道。但在原始的时间序列中隐藏着关于基函数的信息。最理想的方法是直接从时间序列中同时求出基函数及其强度——本征模分析。 本征模分析的步骤(以一个台站的日变化为例) （1）原始资料：台站某要素m天的记录，每天有n个观测值（如24个时均值），写成矩阵形式 矩阵的每一行向量代表一天的记录，是一个样本，包括n个元素。m天的记录提供了m个样本。 （3）总的变化磁场= p种因素贡献之和 （4）解本征值方程，得到 本征模分析举例（BMT,2001) 二. 双台记录分析方法 除了单台方法仍可使用外，还可用“台间差”法消除共同的磁扰。即去除相同变化，保留不同的变化，研究传播和空间位置的变化。 三. 台链资料分析方法 四. 局域台网资料分析方法 区域地磁异常的分析方法（冠谐分析、矩谐分析、双调和分析等），均可以用于局域台网的变化磁场分析。 但是，必须同时考虑内外源场：由于变化磁场起源于高空电流及其在地球内部的感应电流，所以标量磁位的拉普拉斯方程解必须同时包括内外源场两部分。 例：既包括内源场，又包括外源场的矩谐级数表达式 五. 全球台网资料分析方法（由全球地面磁场求磁场位函数） 由地面磁场可求出外源场和内源场的磁位函数 地面观测结果 得到线性方程组 §3 变化磁场的等效电流体系 1、研究变化磁场