磁荷的磁场.pptx

地球电磁现象物理学PHYSICS OF ELECTROMAGNETIC PHENOMENA OF THE EARTHGEOMAGNETISM AND SPACE WEATHER(2009.11.09)变化磁场及等效变化磁场及等效电流体系电流体系 全部材料由徐文耀教授提供，衷心感谢徐教授的支持！1 变化磁场的一般特点变化磁场的一般特点 变变化化磁磁场场随随时时间间变变化化较较快快的的地地磁磁场场部部分分，主主要要由由固固体体地地球球之之外外的的空空间间电电流流体体系系所所产产生生，所所以以又又称称“外外源源磁磁场场”。外外源源场场通通过过电电磁磁感感应应在在地地球球内内部部产产生生的的感感应应电电流流对对变变化化磁磁场场也也有一定贡献。有一定贡献。地磁场变化的类型地磁场变化的类型 外源场外源场 内源场内源场一一.外源磁场的一般特点外源磁场的一般特点1.外源场的时间变化特征（对比）外源场的时间变化特征（对比）外外源源场场变变化化的的时时间间尺尺度度从从几几十十分分之之一一秒秒(地地磁磁脉脉动动)到到11年年(地地磁磁场场的的太太阳阳活活动动周周变变化化)，其其中中包包括括日日变变化化、暴暴时时变变化化、27日日太太阳阳自自转转周周变变化化、季季节节变变化化等等等等。变变化化磁磁场场的的时时间间谱复盖了谱复盖了 秒共秒共10个数量级。个数量级。对比：对比：地核场地核场变化缓慢变化缓慢 （千年量级）（千年量级）地壳场地壳场变化极慢变化极慢 （万年（万年-百万年量级）百万年量级）外源场外源场变化较快变化较快 （秒（秒-年量级）年量级）图图.1 海面和海底记到的变化磁场能谱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的空间分布特征 外源场在空间分布上的特征是它的外源场在空间分布上的特征是它的全全球性尺度球性尺度和和远距离空间相关性远距离空间相关性。即一般来即一般来说，空间梯度较小，暗示着外源场的源电说，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。流体系具有很大的空间尺度。3.外源场的物理起源外源场的物理起源 外源场外源场起源于空间等离子体（磁流起源于空间等离子体（磁流 体）动力学过程。体）动力学过程。地壳场地壳场起源于岩石磁性，起源于岩石磁性，地核场地核场起源于地核等离子体（磁流起源于地核等离子体（磁流 体）的动力学过程，体）的动力学过程，太阳风发电机、电离层发电机和地核发电太阳风发电机、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。理参数、边界条件和受力状态不同而已。介质物理参数介质物理参数 等离子体密度，粘性系数，电导率等等离子体密度，粘性系数，电导率等边界条件边界条件内源：外核，内核，下地幔内源：外核，内核，下地幔外源：磁层顶，电离层外源：磁层顶，电离层受力状态受力状态内源粘滞力必须考虑；外源较小，在一些内源粘滞力必须考虑；外源较小，在一些情况下可以忽略情况下可以忽略4.外源场的可观测性外源场的可观测性 外外源源场场除除了了可可以以在在地地面面观观测测外外，还还可可以以借借助助航航天天器器直直接接进进入入源源区区观观测测，但但是是地地核核场场只只能能在在地地面面和和空空间间观观测测，其其源源区区无无法法直直接接到到达达，因因此此，在在可可观观测测性性方方面面，地地核核场场与与外外源源场场截截然然不不同同。地地壳壳场场也也基基本本上上是是这这种种情情况况，由由此此导导致致了了不不同同磁场部分研究方法的不同。磁场部分研究方法的不同。二、变化磁场的分类二、变化磁场的分类 平静变化：平静变化：Sq,L 扰动变化：磁暴，亚暴，扰动变化：磁暴，亚暴，湾扰，钩扰，脉动湾扰，钩扰，脉动注意：注意：地磁扰动按形态学分类与按物理地磁扰动按形态学分类与按物理成因分类并不一一对应，有时，不同类成因分类并不一一对应，有时，不同类型的扰动是同一物理过程产生的，有时，型的扰动是同一物理过程产生的，有时，不同物理过程在某些地区产生类似的扰不同物理过程在某些地区产生类似的扰动。动。太阴日（太阴日（Lunar day)月球周日视动周期。自转和公转是月球的真实运动，运行方向是自西向东的。而月球周日运行的方向是自东向西的，这不是月球的真实运动，而是地球自转运动的反映，故称做月球的周日视运动。月球周日视动周期是24时50多分钟，称做太阴日。它是地球自转和月球公转两种运动的叠加。一个太阳日平均是24小时，地球自转一个太阳日之后，月球也公转了13多。这样，地球必须再自转13多，才能完成一个太阴日。地球自转1需要4分钟，自转13多就需要50多分钟。这就是太阴日与太阳日长短不等的原因。图图2 中国地磁台链记录的变化磁场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变化磁场的分析方法台站配置台站配置单台、双台、台链、局域台网、全球台单台、双台、台链、局域台网、全球台 网、卫星等各种观测系统网、卫星等各种观测系统观测位置观测位置地面、低空、海底到空间各个区域地面、低空、海底到空间各个区域分析方法分析方法 单台资料（时序叠加法、傅立叶分析、本征模分析）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）双台资料（对比相关分析）台链资料（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）局域台网（冠谐、矩谐和双调和分析）全球台网（球谐分析）全球台网（球谐分析）一一.单台记录分析方法单台记录分析方法1.时序迭加法不同样本，同一时刻叠加，放时序迭加法不同样本，同一时刻叠加，放大周期部分，压制随机和非周期部分大周期部分，压制随机和非周期部分2.谱分析谱分析（傅立叶谱、动态谱、小波谱（傅立叶谱、动态谱、小波谱）(1)傅立叶谱分析傅立叶谱分析图图4 用一月地磁用一月地磁记录所做的磁静记录所做的磁静日傅立叶分析日傅立叶分析图图5 用一天地磁记录所做的磁静日傅立叶分析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磁暴期间Pc5地磁脉动的小波谱图地磁脉动的小波谱图 3.本征模分析本征模分析 一一般般谱谱分分析析的的缺缺陷陷基基本本函函数数系系是是事事先先人人为为选选定定的的，谱谱分分析析的的目目的的就就是是把把函函数数表表达达成成这这些些基基函函数数的的加加权权和和。所所用用的的基基函函数数不不一一定定有有明明确确的物理意义。的物理意义。改改进进合合理理的的办办法法是是对对具具体体的的物物理理问问题题选选定定适适合合于于该该问问题题的的、有有物物理理意意义义的的基基函函数数。这这样样的的函函数数系系事事先先不不知知道道。但但在在原原始始的的时时间间序序列列中中隐隐藏藏着着关关于于基基函函数数的的信信息息。最最理理想想的的方方法法是是直直接接从从时时间间序序列列中中同同时时求求出出基基函函数数及及其其强强度度本征模分析。本征模分析。本征模分析的步骤本征模分析的步骤(以一个台站的日变化为例以一个台站的日变化为例)（1）原原始始资资料料：台台站站某某要要素素m天天的的记记录录，每每天天有有n个观测值（如个观测值（如24个时均值），写成矩阵形式个时均值），写成矩阵形式 矩矩阵阵的的每每一一行行向向量量代代表表一一天天的的记记录录，是是一一个个样样本，包括本，包括n个元素。个元素。m天的记录提供了天的记录提供了m个样本。个样本。表示第表示第k种因素对种因素对m个样个样本的贡献，类似于付氏本的贡献，类似于付氏级数中三角函数的振幅级数中三角函数的振幅表示第表示第k种因素的归一化种因素的归一化“振型振型”，类似于付氏级，类似于付氏级数中的三角函数数中的三角函数（2）主因素）主因素：假定有假定有p种因素对磁场有贡献，种因素对磁场有贡献，其中第其中第k种因素的贡献可以写成种因素的贡献可以写成（3）总的变化磁场）总的变化磁场=p种因素贡献之和种因素贡献之和 由原始数组由原始数组X构造协方差矩阵构造协方差矩阵 假定各种因素互相独立，则假定各种因素互相独立，则（4）解本征值方程，得到）解本征值方程，得到和和本征模分析举例本征模分析举例（BMT,2001)二二.双台记录分析方法双台记录分析方法 除除了了单单台台方方法法仍仍可可使使用用外外，还还可可用用“台台间间差差”法法消消除除共共同同的的磁磁扰扰。即即去去除除相相同同变变化化，保保留不同的变化，研究传播和空间位置的变化。留不同的变化，研究传播和空间位置的变化。图图5.7 1973年年1月北京和广州地磁台月北京和广州地磁台X分分量日变记录量日变记录(S1,S2)及其差值曲线及其差值曲线(S1-S2)三三.台链资料分析方法台链资料分析方法 四四.局域台网资料分析方法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。局域台网的变化磁场分析。但是，必须同时考虑内外源场：但是，必须同时考虑内外源场：由于变化由于变化磁场起源于高空电流及其在地球内部的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。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包括内、外源场的拉普拉斯方程一般解包括内、外源场的拉普拉斯方程一般解 五五.全球台网资料分析方法全球台网资料分析方法（由全球地面磁场求磁场位函数）（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由地面磁场可求出外源场和内源场的磁位函数 以以Sq为例，为例，t为地方时为地方时LT定义上式中系数为：可改写成施密特形式 地面观测结果地面观测结果与上述理论公式对比与上述理论公式对比台站日变化台站日变化Sq展成傅立叶级数展成傅立叶级数得到线性方程组其中进而由可以求出内外源场磁位函数的系数 由Xma、Xmb、Yma、Ymb、Zma、Zmb求出3 变化磁场的等效电流体系变化磁场的等效电流体系1、研究变化磁场的目的、研究变化磁场的目的 认识产生磁场的认识产生磁场的电流体系电流体系和和物理过程物理过程电离层电流电离层电流磁层电流磁层电流 太阳风太阳风磁层发电机过程磁层发电机过程电离层发电机过程电离层发电机过程磁层等离子体漂移磁层等离子体漂移带电粒子沉降带电粒子沉降 磁层磁层电离层电离层3维电流体系维电流体系磁层主要电流体系的数量级磁层主要电流体系的数量级3维亚暴楔形电流维亚暴楔形电流场向电流、极光电集流和Sq电流2、由磁场反演、由磁场反演3维电流体系的困难维电流体系的困难资料不足资料不足Fukushima定理定理 地球变化磁场是由电离层和磁层电地球变化磁场是由电离层和磁层电流及其在地球内部的感应电流产生的，流及其在地球内部的感应电流产生的，但仅靠地面磁场资料，无法确定电流所但仅靠地面磁场资料，无法确定电流所处的位置，也不知道电流的具体分布。处的位置，也不知道电流的具体分布。解决途经解决途经一步变成两步走一步变成两步走 地面磁场地面磁场等效电流等效电流真实电流真实电流3、等效电流体系、等效电流体系 一种假想的一种假想的2D电流体系，它所产生的地面电流体系，它所产生的地面磁场与真实电流体系完全一样，但是只分布在磁场与真实电流体系完全一样，但是只分布在2D的同心球壳内。的同心球壳内。假设产生磁场的电流位于电离层的假设产生磁场的电流位于电离层的E区（近区（近似为一个二维球壳上），由地面磁场观测资料可似为一个二维球壳上），由地面磁场观测资料可以求出外源磁位，再由磁位求出等效电流体系。以求出外源磁位，再由磁位求出等效电流体系。然后结合其他资料，得到真实电流体系。然后结合其他资料，得到真实电流体系。Sq电流体系（北半球）电流体系（北半球）北极区和南极区的北极区和南极区的Sq电流电流4、计算等效电流体系的方法、计算等效电流体系的方法毕奥毕奥-沙伐尔定律给出磁场与电流的一般关系沙伐尔定律给出磁场与电流的一般关系但是，由电流计算磁场很麻烦，而由磁场直接求电但是，由电流计算磁场很麻烦，而由磁场直接求电流更难流更难 解决问题的巧妙途径解决问题的巧妙途径采用采用“迂回战术迂回战术”“迂回战术迂回战术”磁荷的磁场磁荷的磁场 计算简单计算简单由点磁荷构成磁偶极子由点磁荷构成磁偶极子 容易容易磁偶极子磁偶极子 等价于圆电流等价于圆电流由圆电流构成电流层由圆电流构成电流层 简单叠加简单叠加电流环带电流环带=许多许多电流元电流元球面电流体球面电流体系可以分成系可以分成为一系列电为一系列电流环带流环带电流元电流元=磁偶极子磁偶极子磁偶极子磁偶极子=二个磁荷二个磁荷解决问题的框图解决问题的框图点磁荷点磁荷 点磁荷的磁场点磁荷的磁场磁偶极子磁偶极子 磁偶极子磁场磁偶极子磁场电流环带电流环带 电流环带磁场电流环带磁场球壳电流层球壳电流层 电流层磁场电流层磁场（等效电流）（等效电流）（1）球面分布磁荷）球面分布磁荷 产生的磁位产生的磁位单磁荷单磁荷mm的磁位的磁位(ch.23)观测点观测点 磁荷元磁荷元 球面磁核球面磁核层的磁位层的磁位 球面磁荷分布球面磁荷分布 的球面谐函数表达的球面谐函数表达 按二项式定理展开按二项式定理展开 将（将（1/R)和和f代入磁位公式代入磁位公式 根据球面三角公式根据球面三角公式那么那么经过一些三角函数运算可以得到经过一些三角函数运算可以得到 根据球面函数的正交性根据球面函数的正交性 其中其中磁位公式中各项的积分变为磁位公式中各项的积分变为 于是，球面磁荷层的磁位可以写成于是，球面磁荷层的磁位可以写成（2 2）球面磁双层的磁场球面磁双层的磁场 半径半径 磁荷密度磁荷密度 总磁荷总磁荷 外壳外壳两壳上总磁荷大小相等，符号相反两壳上总磁荷大小相等，符号相反 内壳内壳磁双层单位面积磁矩（磁矩密度，或磁壳强度）磁双层单位面积磁矩（磁矩密度，或磁壳强度）代入代入磁双层的磁位磁双层的磁位 =两个球面磁荷层的磁位之差两个球面磁荷层的磁位之差球面磁荷层的磁位为球面磁荷层的磁位为带入得到磁双层的磁位为：得到磁双层的磁位为：3 3、球面电流的磁场、球面电流的磁场 考虑无限薄球壳，壳法向电考虑无限薄球壳，壳法向电流为零，球壳上的流为零，球壳上的2维电流维电流可用电流函数可用电流函数J表示表示代替磁双层磁位公式中的磁矩代替磁双层磁位公式中的磁矩用用 磁场观测在磁场观测在r r球面上，观测的磁位可表为球谐级数：球面上，观测的磁位可表为球谐级数：得得到由电流求磁场的公式到由电流求磁场的公式 两式对比可得电流和磁位的关系两式对比可得电流和磁位的关系:当由地磁观测得到磁场的磁位后，即可由当由地磁观测得到磁场的磁位后，即可由上式求得相应的内外源等效电流体系上式求得相应的内外源等效电流体系那么利用磁位求电流的公式，即可由那么利用磁位求电流的公式，即可由地面磁测资料求得等效电流体系。地面磁测资料求得等效电流体系。如前面我们由地磁观测得到了内外源磁位表达式如前面我们由地磁观测得到了内外源磁位表达式由等效电流求真实由等效电流求真实3D电流电流必须借助电导率模型必须借助电导率模型各种地磁图反演技术各种地磁图反演技术