磁荷的磁场.pptx
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1、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
2、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 (
3、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
4、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
5、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
6、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,
7、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、
8、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
9、)(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
10、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
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