地球基本磁場

地球基本磁場，是指地磁場所占據的空間從地核至磁層邊界。磁層離地心最近的距離也有8～13個地球半徑。地磁場的主要部分來自地球內部，稱為地球基本磁場。

基本介紹

• 中文名：地球基本磁場
• 概述：地磁場所占據的空間
• 介紹：地磁場的主要部分
• 地面分布：即各地磁要素的數值在地面

介紹

地磁場的主要部分，來源於地球內部。直觀地描述地球基本磁場的方法是地磁圖，更深刻地揭示地球基本磁場空間分布和組成的有效的數學方法是高斯分析。

地面分布

即各地磁要素的數值在地面上的分布，用地磁圖來表示。地磁圖是將同一時刻各測點地磁要素的數值標在地圖上，並將數值相同的各點連線起來而成的等值線圖，又叫等磁圖。地磁圖可按照它所表示的地磁要素的不同,分為等偏角圖（圖1）、等傾角圖（圖2）和等強度圖（圖3）。

類型

地磁圖分世界地磁圖和區域性地磁圖二類。因為地磁場有緩慢的長期變化，地磁圖通常每 5～10年編制一次。從世界地磁圖上可以看到有兩個傾角為90°的小區域，這就是地球的南、北磁極；一條傾角為零的等值線，稱為磁傾赤道。

關係

兩極處磁場強度幾乎是赤道處的兩倍，並且各地的磁傾角I 同磁緯度φ 近似滿足下列關係： 這些特徵表明地磁場近似地是一個地心偶極磁場。

地磁場分布的數學表達式

在地磁學中通常把地磁場的球諧分析叫做高斯分析。1839年C.F.高斯首次將球諧分析的數學方法用於地磁場的研究，從理論上闡明了地磁場的主要部分來源於地球內部。

地球外一點(r,θ,λ)基本磁場的磁位W可以表示為：

這裡引入常數ɑ,目的是使球諧係數g嬘和h嬘有與磁場相同的量綱，這些係數稱為高斯係數或者稱為高斯－施密特係數。

利用地面或近地面地磁測量的結果，可以計算各級高斯係數，將係數代入上式，則除場源區域（一般認為是地核）外，地球基本磁場的空間分布可完全確定，稱為地磁場模型。高斯分析的結果是三維的，它比地磁圖更全面地反映了地磁場的分布。全球地磁圖的編繪通常都是利用高斯分析的結果，而不是直接利用觀測值。地球基本磁場模型的優劣，直接關係到編圖的精度以及區域性磁異常的形態和大小。建立完善的地磁場模型是地磁學中有重要實用價值的研究課題。

磁位W的表達式(1)是一個無窮級數。這個級數收?很快。分析結果表明,п =1的項約占W值的90%以上。它代表位於地心的偶極子磁場，故剩餘的部分叫做非偶極子磁場。非偶極子磁場中，п=2和п=3兩項也占主導地位。

偶極子磁場

地心偶極子的磁矩，磁軸的方向式中 λ0、θ0分別為地理經度和余緯度。根據高斯係數計算地心偶極子的磁矩約為8×1025電磁單位（高斯·厘米3）。它的磁軸同地球自轉軸的夾角（銳）約 11.5°。磁軸方向與地面的交點叫作地磁極。地磁極同地磁圖上所確定的磁極在意義上是不相同的。由1975.0年國際地磁參考場的高斯係數所算出的地磁極位置是：地磁北極78.7°N,70.5°W，位於格陵蘭島；地磁南極78.7°S、109.5°E在南極大陸內。

式(1)中п=1的項共有兩部分。其中п=1、m=0的部分只有一項，這一項是主要的，它是地心偶極子在地球自轉軸方向的投影，稱為軸向偶極子，磁矩 。另一部分為п=1、m=1的項，這部分包括兩項，是地心偶極子在赤道平面內的投影，稱為赤道偶極子。磁矩。

對稱性

許多同地磁場有關的物理現象相對於地磁軸有明顯的對稱性，這時用地磁坐標較地理坐標更為方便。地磁坐標系是以地磁軸為極軸，球心與地心重合的球極坐標系,即觀測點的向徑r與地磁軸的夾角定義為地磁余緯嘷，地磁緯度Φ=90°-嘷；過地磁北極與地理極的子午線作為地磁零經度線，過觀測點和地磁極的磁子午面與地磁零子午面之間的夾角為地磁經度∧。若已知地磁極的地理坐標(θ0,λ0)和測點的地理坐標(θ,λ),由球面三角關係 可求得測點的地磁坐標(嘷,∧)。

地心偶極子的磁場在地磁坐標系中即簡化為： G嬼為地磁坐標系中的高斯係數。

非偶極子磁場

約占地磁場的 10%。圖4是1965.0年非偶極子磁場垂直強度的等值線圖。圖上用水平矢量標出了水平強度的大小和方向。從圖上可以看到非偶極子磁場有幾個正或負的異常中心，其中東亞大陸正異常（又稱蒙古異常）、非洲負異常、南大西洋和南印度洋正異常最強。

東亞正異常,中心位於105°E、45°N，角距半徑達35°,幾乎覆蓋全亞洲，中心強度約18000納特。中國地磁場的分布主要受這個異常的影響。非洲負異常，中心位於零子午線附近的赤道帶 (0°N,0°E)，角距半徑約40°,強度達-16300納特。南大西洋正異常強度最大,覆蓋面積最廣。它覆蓋了南美大陸的絕大部分、印度洋的一部分和幾乎全部南大西洋,其中異常強度達18000納特的區域沿60°S緯線向東西延伸的角距竟達 60°。非偶極子磁場的北向強度和東向強度，也有同垂直分量強度相應的異常分布。

爭議問題

非偶極子磁場來源於地球內部何處，仍然是個有爭議的問題。傳統的看法認為位於核幔交界處，但近幾年有人根據衛星觀測資料，對像非洲這樣尺度不是很大的異常做了新的解釋，認為它是由於早期侵入的岩漿在冷卻過程中磁化而形成的。但也有人提出了異議，認為如果是岩石磁化的結果，地殼淺部岩石不足以形成這種規模的異常，還必須有更深層的來源，但深層溫度已超過了居里溫度。

對於各項高斯係數，雖然可以賦予一定的物理意義，例如п=1為中心偶極子,п=2為中心四極子等,但這並不意味著這些偶極子和四極子就是地磁場的真實場源。它們不過是描述地磁場的一種方法。例如施密特(A.Schmidt)和巴特爾斯 (J.Bartels)早在40年代就設計了描述磁場分布的偏心偶極子。

偏心偶極子是強度和方向都與中心偶極子相同，而偏離地心放置的磁偶極子。它所產生的磁場不僅包括高斯級數п=1的磁場，還包括п=2項的大部分磁場，能比中心偶極子更好地描述地磁場的分布。由п=1和п=2的高斯係數，可算出偏心偶極子的位置。

例如1975.0年的位置為19.8°N、148°E，約距地心474公里。如何描述地磁場和它隨時間的緩慢變化是地磁學的一項重要內容，稱為地磁場模型的研究。除上述球諧模型外，還有偶極子模型和電流環模型。通過這些模型選擇偶極子和電流環的數目和參數描述全球地磁場的分布。顯然這些偶極子或電流環也不過是另一種描述地磁場的方法，並不是地磁場的真實場源。

國際地磁參考場

(IGRF) 　因使用的資料不同和資料處理方法的差異，不同作者從高斯分析中所得到的高斯係數也不盡相同。為此，國際地磁學和高空大氣學協會(IAGA)除成立世界磁測 (WMS)的國際協調機構外，

還於1968年10月在華盛頓專門會議上提出並通過了1965.0年的國際地磁參考場，做為全世界通用的正常地磁場的標準。

1965.0年的國際地磁參考場取 п=m=8共80個高斯係數，有效期是1955.0～1975.0年。

1975年 8月又通過了1975.0年的國際地磁參考場，使用期是1975.0～1980.0年。

為了獲得能較好地代表地磁場真實分布的基本磁場模型，國際地磁學和高空大氣學協會在1981年 9月愛丁堡會議上，公布了1965.0和1975.0年的修正的國際地磁參考場，以及1980.0年的國際地磁參考場（見表，п=m=4 的高斯係數）。以後國際地磁學和高空大氣學協會將每5年或10年公布一個新的國際地磁參考場。 　高空磁場 　地磁場的高斯分析表明，隨著距離（從地心算起）的延伸，偶極子磁場所占的比例越來越大。按照經典的觀點，偶極子磁場的磁位分布同離開地心距離的平方成反比，場強同距離的立方成反比，向外無限延伸。近代的觀測和研究改變了這種經典的認識。按照近代的觀點，太陽風與地磁場相互作用，使地磁力線壓縮在一個空間範圍之內，形成了磁層。地磁場完全被局限在磁層之內。只有在2～3個地球半徑範圍內，高空磁場才具有偶極子磁場的特徵。高空地磁場的形態遠比近地面空間複雜。

地磁場的長期變化

地球基本磁場有隨時間的緩慢變化，以納特/年為單位。長期變化現象，最早是由英國吉利布蘭德(Gellibrand)於1635年從倫敦的磁偏角變化中發現的。隨後，其他許多地方也觀測到同樣的現象。因此，長期變化是全球性大尺度的地磁現象，通常認為其場源應在地球的液態外核。長期變化現象為地球深部和液核動力學的研究提供了線索，是地磁學的一個重要課題。 　長期變化也常用等變線來表示。

1947年維斯廷(E.H.Vestine)繪製的1942.5年的世界地磁長期變化圖是最早的一幅較為完善的等變圖。等變圖上有幾個變化較大的中心，某些地方是正的變化，某些地方是負的變化。

長期變化現象也表現在不同年代地磁場的高斯係數上。高斯係數的年變率 (g嬘,h嬘)通常是利用地磁要素的年變率由球諧分析方法計算出來的。

從1980～1985年的長期變化的高斯係數（見表）可以看出，п=1項所占的比例不如基本磁場那樣大，這說明非偶極子磁場的長期變化更為顯著。

長期變化的時間和空間分布比基本磁場更為複雜，特別是有可靠的地磁記錄的歷史很短，還不足以揭示出長期變化現象的許多規律。長期變化現象的主要特徵是偶極子磁矩的衰減和非偶極子磁場的西向漂移。

近百餘年地球磁矩幾乎以等速率單調衰減，每100年約衰減5%；非偶極子磁場的西向漂移速度約為每年 0.2°（見地磁場長期變化）。

基本磁場起源

地磁場起源問題是地球物理學的基本難題之一。

自1600年吉伯 (W.Gilbert)提出“地球是一個巨大的磁石”以來,地磁場起源的研究已有近400年的歷史，至今未獲得圓滿結果。歷史上雖提出過許多假說，但都不能經受時間的考驗。

現在公認自激發電機假說最為合理。自激發電機假說主要是闡述了液核（導電流體）運動同磁場相互作用而維持磁場的過程。它包括兩個基本問題，一個是液核運動的能源問題，另一個是什麼樣的液核運動與磁場相互作用才能維持地球偶極子磁場的特徵。

這些問題均涉及到地球演化和地球內部的物理狀態，要在目前獲得滿意的解釋仍然是困難的（見地磁場起源）。