地球磁场及常用坐标

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：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)=109nT=104gauss，1nT=1=10-5gauss。地表上地磁场大小，在磁赤道约为3104nT的量级;在磁极处，约为6104nT的量级。2222222FXYZHXYYHsinDZHtanItanIZ/HtanDY/X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。地理坐标系（Geographicalcoordinates）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（Dipolecoordinates）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。常用坐标系地心-太阳黄道坐标系（GeocentricSolar－Eclipticcoordinate）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（GeocentricSolar－Magnetosphericcoordinates）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（CorrectedDipolecoordinates）该坐标系又叫“订正地磁坐标系”（CorrectedGeoMagneticcoordinaies），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（correcteddipolelongitude）和订正偶极纬度（correcteddipolelatitude）。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图(1995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5～50nA·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510A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。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。qS电流系的分布相对太阳是固定的，其产生的qS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。qS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。qS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。qS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pqS。pqS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。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与0等值线之间流过的电流强度。单位为104A。实线表示逆时针旋转，虚线表示顺时针旋转。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电流系在电离层95—120公里的高度，即在电离层的E层高度。PqS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。