磁偏角

磁偏角是指地球表面任一點的磁子午圈同地理子午圈的夾角。因指南針、磁羅盤是測定磁偏角最簡單的裝置，所以磁偏角的發現和測定的歷史也很早。1702年，英國埃德蒙多·哈雷發表了第一幅大西洋磁偏角等值線圖。根據規定，磁針指北極N向東偏則磁偏角為正，向西偏則磁偏角為負。磁偏角'是指磁針靜止時，所指 的北方與真正北方的夾角。我國北宋學者沈括在《夢溪筆談》中，記載了地磁的南北極與地理的南北極並不完全重合，存在磁偏角。

基本介紹

• 中文名：磁偏角
• 外文名：Magnetic declination
• 提出者：羅伯特·諾曼
• 提出時間：1581年
• 套用學科：測繪學
• 最早提出者：沈括

介紹

沈括在《夢溪筆談》中記載與驗證了磁針“常微偏東，不全南也”的磁偏角現象，比西歐記錄早 400年。英國人羅伯特·諾曼（Robert Norman）發現一根磁針用繩子在半中間吊起來，跟水平形成一偏角，他將這稱為磁偏角。1581年，他在自己的《新奇的吸引力》一書中發表了他的發現。各個地方的磁偏角不同，而且，由於磁極也處在運動之中，某一地點磁偏角會隨時間而改變 。許多海洋動物可以感應到磁偏角並利用它來識途 。

磁偏角是磁場強度矢量的水平投影與正北方向之間的夾角，亦即磁子午線與地理子午線之間的夾角。如果磁場強度矢量的指向偏向正北方向以東稱東偏，偏向正北方向以西稱西偏。磁偏角可以用磁偏測量儀測出來。磁偏角的度數是測量出來的，不是計算出來的。

在繪圖時，將此前對磁偏角的實際測量值標在地圖（特別是海圖，普通地圖示磁偏角的少）上。當然，磁偏角的變化呈現出一定的規律，我國東部地區磁偏角為西偏，甘肅酒泉以西多為東偏。

地磁要素

地磁極是接近南極和北極的，但並不和南極、北極重合， 一個約在北緯72°、 西經96°處；一個約在南緯70°、東經150°處。磁北極距地理北極大約相差1500km.

在一天中磁北極的位置也是不停的變動，它的軌跡大致為一橢圓形，磁北極平均每天向北移40m。磁北極大約於2005年進入俄羅斯境內。在我國，正常情況下，磁偏角最大可達6度，一般情況為2-3度。地圖的方向：上北、下南、左西、右東是大多數地圖的方向，但這可不是通用原則，如果地圖上有方向標，可以通過方向標了解到這些。磁偏角還是不斷有規律變化的，地圖上的磁偏角只是測圖時的磁偏角（磁北比真北偏右，加上磁偏角；磁北比真北偏左，減去磁偏角；在我國一般是減去）。使用地圖本身所注的磁偏角要注意出版年限，地圖太老誤差較大。

計算方法

關於用經緯度計算距離：在地球赤道上環繞地球一周走一圈共40075.04公里而一圈分成360°，1°為60′，每一度一秒在赤道上的長度計算如下：

40075.04km/360°=111.31955km

111.31955km/60=1.8553258km=1855.3m

而每一分又有60秒，每一秒就代表1855.3m/60=30.92m

任意兩點距離計算公式為：

d=111.12cos{1/[sinΦ_AsinΦ_B十cosΦ_AcosΦ_Bcos(λ_B—λ_A)]}

其中A點經度，緯度分別為λ_A和Φ_A，B點的經度、緯度分別為λ_B和Φ_B，d為距離。

至於比例尺計算簡單地說，也就是

1.不同的地方地磁偏角也不同！

2.正常情況下，我國磁偏角最大可達6度，一般情況為2-3度

3.東經25度地區，磁偏角在1-2度之間；北緯25度以上地區，磁偏角大於2度；若在西經低緯度地區，磁偏角是5-20度；西經45度以上，磁偏角為25-50度，在我國，正常情況下，磁偏角最大可達6度，一般情況為2-3度。

地球磁場是在不斷變化的。它有長期變化和短期變化。地球磁場的短期變化部分，即上述的地球變化磁場；除去短期變化部分，便是地球基本磁場，即上述的偶極磁場。 地磁要素的長期變化，來源於地球內部的物質運動。它首先表現為地磁場的向西漂移。例如，0°磁偏線與赤道的交點，近400年來已西移95°。其次，磁場強度有穩定的衰減，近百年來，基本磁場強度衰減了5%。如果照此速度繼續衰減下去，那么，基本磁場將會在2千年後消失。另外，磁極也在移動，如地磁北極的緯度逐年遞增0.004°；其經度每年向西增加0.007°。

關於分類

地磁要素的短期變化，來源於電離層及太陽活動的影響，變化形態比較複雜，分平靜變化和干擾變化。平靜變化是經常性和周期性的變化，有太陽日變化、太陰日變化和季節變化。來自太陽的帶電粒子，影響地球大氣電離層的狀況，從而造成各地的磁場以太陽日為周期的變化。地磁強度的水平分量的太陽日變化，可達 0.03—0.04μT，約為水平分量的0.5%；地磁偏角的變化可達10′。月球對於地球大氣的潮汐作用，使得一部分大氣以太陰日為周期，運行於地球各部分之間。這種變化包括大氣電離層的變化，因而造成各地磁場以太陰日為周期的變化。它的變化幅度很小，磁場強度水平分量的變幅只有千分之幾μT，約為水平分量的0.05%；地磁偏角的變幅不到40″。太陽直射點的南北移動，以及隨之而來的太陽輻射能在地球上的分布的季節變化，造成地磁要素的太陽日變化的幅度因季節而變化。一般地說，夏季太陽日變化的幅度較大，冬季較小。

地磁要素的干擾變化要複雜得多。小的干擾多半是區域性的，次數頻繁，變幅很小。大的干擾是全球性的，次數較少，平均每年10次左右，變化幅度較大。特大的干擾稱磁暴。磁暴發生時，磁針不安地擾動不止；在幾小時到 幾日內，磁場強度的變化可達十分之幾甚至幾個μT。磁暴的發生與太陽活動直接相關。來自太陽的高能粒子，不僅干擾地球磁場，同時破壞大氣電離層結構，中斷無線電通訊，高緯度地區出現極光。

各地磁偏角

地名-磁偏角：

漠河11°00' w

齊齊哈爾9°54'w

哈爾濱9°39'w

長春8°53'w

滿洲里8°40'w

瀋陽7°44'w

旅順6°35'w

北京5°50'w

天津5°30'w

濟南5°01'w

呼和浩特4°36'w

徐州4°27'w

上海4°26'w

太原4°11'w

包頭4°03'w

南京4°00'w

合肥3°52'w

鄭州3°50'w

杭州3°50'w

許昌3°40'w

九江3°03'w

武漢2°54'w

南昌2°48'w

銀川2°35'w

台北2°32'w

西安2°29'w

長沙2°14'w

贛州2°01'w

衡陽1°56'w

廈門1°50'w

蘭州1°44'w

重慶1°34'w

遵義1°26'w

西寧1°22'w

桂林1°22'w

貴陽1°17'w

成都1°16'w

廣州1°09'w

柳州1°08'w

東沙群島1°05'w

昆明1°00'w

南寧0°50'w

湛江0°44'w

憑祥0°39'w

海口0°29'w

拉薩0°21'w

珠穆朗瑪0°19'w

西沙群島0°10'w

曾母暗沙0°24'e

南沙群島0°35'e

烏魯木齊2°44'e

原理與方法

海島礁磁偏角測量

研究背景

磁偏角作為重要的海洋地理環境要素，已廣泛套用於船載磁羅經、海流計、水下機器人(AUV)、自航式水雷等，是諸多海洋儀器正常發揮效能的基礎信息。由於地磁導航具有簡便、廉價、可靠、最不易受干擾等特點，是人類套用最早最普遍的定位定向系統，在早期航海史上發揮了極其重要的作用。即使在衛星導航定位技術高度發達的現代，世界各國航空航海領域一直把地磁導航作為必備的導航方法。當前軍民航海圖上，磁偏角是不可或缺的基本要素，但是，磁偏角測量是我國海洋環境探測領域一項技術空白，軍民航海圖上標註的磁偏角均不是實地測量值，而是通過低解析度的外版地磁圖轉繪生成的。

磁偏角測量主要採用兩種方式：一是固定地磁台站的長期連續跟蹤觀測，二是野外流動測點的不定期測量。由於固定地磁台站選址和基建標準很高，不適宜建設太多，所以少量地磁台站和大量野外測點相結合，是地磁場測量的最佳模式。我國有100多個地磁台，包括30多個儀器配置齊全、觀測條件和環境較好的基準地磁觀測台站，具有測震、地磁、地電、GPS、重力、形變、井下觀測等多種地球物理觀測手段。其他台站是以地震預報為主要服務對象的區域性地磁觀測台站。由國際地磁學與高空物理學協會(IAGA)主持運行的國際地磁觀測台網(INTERMAGNET)包括約133個地磁台站，其中包括我國的北京站、長春站、肇慶站、蘭州站、烏魯木齊站共5個固定台站。海島礁附近的地磁場由於受海底地形、海底岩石性質、海底地質構造和洋流等影響，往往與正常的地磁場存在較大差異，如何準確高效測定海島礁附近的磁偏角，是非常重要的基礎性海洋測繪工作。

測量原理

地磁要素中，磁偏角的觀測歷史是最早的。磁偏角測量儀器不同，其測量原理也不同。最初的磁偏角測量儀器是指南針。通過指南針確定真北方向和磁北方向的位置，計算二者之間的夾角，就是磁偏角。現代磁偏角測量一般採用地磁經緯儀，其測量原理見圖1，首先需要在實地勘選兩個相互通視的點，組成觀測基線，其中一點用於架設觀測儀器，稱為觀測點，另外一點用於標定方向，稱為方位點。測點勘選和標石埋設完成後，首先採用GNSS或者天文觀測方法，測定觀測基線的真方位角α，然後採用專門的磁偏角測量儀器測定觀測基線的磁方位角，二者相減可得觀測基線的磁偏角，即：

圖1 磁偏角測量示意圖

從式可知，磁偏角測量工作實際上包括兩部分：真方位角測量和磁方位角測量，二者缺一不可。其中測定觀測基線的真方位α是磁偏角測量的關鍵環節之一，當前一般通過GPS方法，測定觀測基線兩端點的坐標，通過軟體解算求出觀測基線的真方位角。但要求觀測基線長度必須大於200m。測定磁方位角α_m的測量儀器稱為地磁經緯儀，因其可同時測定測點附近的磁偏角D和磁傾角I，又稱DI儀。

作為專門的磁偏角測量儀器，地磁經緯儀的構成主要包括三部分：

(1)光學經緯儀：採用無磁材料製造的光學經緯儀，用於基線方向瞄準和磁方位角的讀取；

(2)磁通門磁力儀探頭：加裝光學望遠鏡上，要求其軸向與光學望眼鏡軸向嚴格平行，用於確定磁子午面的位置；

(3)檢零器：與磁通門探頭連線，用於檢測磁通門探頭的輸出電壓，當檢零器上的輸出電壓值為零時，標誌磁通門探頭軸線垂直於地磁場方向，據此確定地磁場方向的位置。

採用地磁經緯儀進行磁偏角測量時，也能同時測定磁傾角。另外為完整了解測點附近的地磁場矢量，一般還需採用總強度磁力儀測定地磁場總強度的標量值。磁偏角D和磁傾角I的計量單位是(°、'、″)，總強度的計量單位為納特(nT)。海島礁磁偏角測量設備在國內外均能生產，其中國產MDI型地磁經緯儀的度盤最小刻劃為1'，工作溫度－10℃～40℃，G856型質子旋進總強度磁力儀的測量範圍為20000～70000nT，解析度優於0.1nT，絕對精度優於0.5nT，採樣周期6s，主機尺寸18cm×27cm×9cm，重量1.6kg，探頭尺寸9cm×13cm，探頭重量1.2kg。

不同磁力儀存在明顯的儀器誤差，為把不同磁力儀的測量結果歸算到某一共同基準，在每年出測之前和收測之後，需到國家基準地磁台對DI儀和總強度磁力儀進行比測，計算絕對儀器誤差和相對儀器誤差。如遇儀器故障需及時更換，也需對新儀器進行比測，確定其儀器誤差。總強度磁力儀比測時應獨立進行2次以上，兩次比測得到的儀器絕對誤差的互差不得大於0.5nT。地磁經緯儀的構造特點是，在無磁經緯儀的望遠鏡上固化一個磁通門感測器。該磁通門探頭通過嚴格調校，其軸向與望遠鏡軸線保持一致。採用地磁經緯儀進行磁方位角測量，實質是通過地磁經緯儀的無磁經緯儀、磁通門磁力儀探頭和檢零器的相互配合，根據檢零器的輸出，確定磁子午面的位置。當經緯儀照準部旋轉時，磁通門探頭與地磁場磁力線夾角隨之不斷變化，由此導致檢零器輸出的電壓發生相應變化，見圖2。顯然，當地磁場方向與無磁經緯儀望遠鏡垂直時，檢零器輸出為零，據此確立地磁場的方向。

磁偏角測量時，在觀測點上安置地磁經緯儀，對準整平以後，轉動望遠鏡精確瞄準方位點上的覘標，讀取此時的水平度盤讀數m₀；然後將地磁經緯儀的望遠鏡置於水平狀態，順時針轉動照準部，同時注意觀測點附近檢零器；當照準部旋轉到某個位置時，檢零器上的讀數為零，鎖定照準部，讀取此時的水平度盤讀數m。這時表示磁通門感測器的方向垂直於地磁子午面，水平度盤位置m±90°就是磁北方向所在的磁子午面，不難得出基線方向與磁子午面方向的夾角，即磁方位α_m為：

圖2 檢零器電壓輸出曲線

式中，α_m為磁方位角；m為磁卯酉面的度盤讀數；m±90°為磁北方向的度盤讀數；m₀為觀測基線方向的度盤讀數。

研究結論

國內海島礁磁偏角測量原理、方法和儀器等主要技術環節均初步引用陸上野外流動地磁測量模式。本文簡單介紹了國內當前海島礁磁偏角測量的原理、作業方法、儀器設備、數據處理和精度要求等實際情況，由此可知，雖然磁偏角測量原理較為簡單，但工作過程較為繁瑣。特別是高溫、高濕、高鹽、多霧、多風等海島礁特殊作業環境，使剛剛起步的我國海島礁磁偏角測量工作面臨許多難以預測的新問題，當前主要是測點勘選比較困難，觀測基線距離一般難以滿足要求，為此需要在當前模式的基礎上，對作業儀器和方法進行大量適用性改進。只有通過不斷實踐積累，才能形成較完整的海島礁磁偏角測量技術能力。