地磁学_第四章.ppt

1、第四章 地球变化地磁场的分类和地磁活动的一般规律,叠加在基本磁场上的变化场，是指随时间变化的磁场，从它们的特征和成因来说，总体分为两大部分：,4.1 地磁场的长期变化,基本磁场随时间的缓慢变化，称为地磁场的长期变化。,特点： 周期长（周期为年、几十年或更长），变化缓慢； 地球磁场的西向漂移（如大陆磁场中心、磁倾角等的西向漂移）。,长期变化的基本特征： 1、偶极子磁矩每年以0.05%的速度衰减； 2、偶极子每年以0.05的速度沿经度方向向西进动； 3、偶极子每年以0.02的速度沿纬度方向向北移动； 4、非偶极子场每年以0.2的速度沿经度方向向西漂移； 5、非偶极子场每年以10nT量级的速度增减；

2、 6、地磁场的长期变化本身每年约以0.3的速度向西漂移。 其中偶极子磁矩的衰减和非偶极子场的西向漂移是地磁场长期变化最主要的两个全球性特征。 磁矩减小、西漂和年变西漂是最主要的特征。 主要问题，长期变化的原因和实际意义不清。,从伦敦、巴黎和罗马的资料可以推测，磁偏角的变化周期约为500年。此外，偶极子磁矩逐年也有微小的改变。长期变化的主要特征是：地磁要素的“西向漂移”，偶极子场和非偶极子场都有西向漂移。且偶极子磁矩的衰减和非偶极子场的西向漂移都具有全球性质。,各大陆不同时期的地磁偏角和古纬度,1、偶极子磁矩每年以0.05%的速度衰减。 2、偶极子每年以0.05度的速度沿经度西进。 3、偶极子每

3、年以0.02度的速度沿纬度北漂。 4、非偶极子每年以0.2度的速度沿经度西进。 5、非偶极子每年以10纳特量级的速度增减。 6、地磁场每年以0.3度的速度沿经度西进。 主要问题，长期变化的原因和实际意义不清。,地球磁场长期变化特征:,地磁场长期变化的研究,一、偶极子磁矩的衰减 二、西向漂移速度的计算 、高斯系数的西向漂移 2、 非偶极场的西向漂移 3、 非偶极子场的西向漂移速度,长期变化的研究,也可直接计算非偶极子磁场的长期变化来求得西向漂移速度。 非偶极子磁场的长期变化可表示为 （3.3-3） 其中第一项为非漂移部分，第二项是漂移部分，V是漂移速度。,一些重要的参考文献：,1、Glatzma

4、ir G A, Roberts P H. Rotation and magnetism of earths inner core. Science, 1996, 274: 1887 1891 2、Glatzmair G A, Roberts P H. Simulating the geodynamo. Contemporary Phys, 1997, 38(4): 269 288 3、 Kuang W, Bloxham J. An earth-like numerical dynamo model. Nature, 1997, 389: 371 374 4、安振昌, 王月华. 1900 200

5、0 年非偶极子磁场的全球变化. 地球物理学报, 1999, 42(2): 169 177 5、徐文耀 地球的电磁物理学中国科技大学出版社 6、傅承义等地球物理学基础科学出版社 1985,.2地磁场的短期变化,一、主要特征： 、平静变化和干扰变化 、周期变化和非周期变化 、起源于地球外部的电流体系,是指主要起源于固体地球外部 的各种电流体系产生的磁场。按其变化特征可分为两类： （1）平静变化（日变化） 连续出现的，比较有规律且有一定周期的变化。 特点： 以24小时为周期的变化；,短期变化的磁场,白天变化大，夜间变化小；夏季变化大，冬季变化小； 同一地点、不同日期，则日变化变化不相同； 同一磁纬度

6、的不同地点，日变化变化形态及幅度相同： 同一地点，不同地磁要素受影响程度不一样。,（2）扰动变化（粒子流扰动场DCF,环电流扰动场DR,地磁亚暴DP1,太阳扰日变化SD,极盖区磁扰DPC,地磁脉动P） 偶然发生的、短暂而复杂的变化。,强度大的磁扰动变化，称为“磁暴”。,特点： 变化剧烈（强度可达几百上千nT）、无规律， 持续时间为几小时几天。,二、分类： （一）平静变化：太阳日变化、太阴日变化 、以一天为周期，对每一个分量都有变化，一般为n-几十nT. 2、白天变化大、晚上变化小，并有季节和纬度分布的变化。,（二）干扰变化：磁暴、扰动和脉动（具体的有七种） 一般分为粒子流扰动场DCF、环电流扰

7、动场DR、地磁亚暴DP1、太阳扰日变化SD、极盖区磁扰DPC、地磁脉动P和地磁钩扰Cr。 粒子流扰动场是依赖于世界时的持续时间约为16h的磁扰，扰动几乎是全球同时出现的，主要导致地磁场的水平分量增强。 环电流扰动场是依赖于世界时的持续时间约为13天的磁扰，主要导致地磁场的水平分量减弱。 地磁亚暴和太阳扰日变化主要是依赖于地方磁时的持续时间约为13h的海湾形磁扰，常称为湾扰 极盖区磁扰是局限于极盖地区的复杂磁扰，扰动是经常性的，几乎每日每时都可以观察到这种扰动。 地磁脉动是周期一般为0.21000s的各种短周期变化。 地磁钩扰是一种只在白天发生的持续时间约为几十分钟的短促而较光滑的钩形磁扰。,4

8、.3太阳活动和太阳黑子,一、太阳的相关知识 1.太阳内部 太阳内部大致可分成三个区域：核心区、中间层和对流层。由日心向外到0.25R（R.是太阳半径）是核心区。其中发生氢核聚变为氦核的热核的反应，产生能量温度高达1.56107k，物质密度高达158g.cm-3；从0.25R到大约0.86R的部分是中间层，温度由中间层的底部的8106k降到顶部的5105k，密度由20gcm-3降到10-2gcm-3，能量以辐射与散射形式外传；从中间层顶部开始进入对流层，向外径厚度约为0.14R的以对流传能为主的对流层到达该层之顶端，温度从5105k降至6.6103k，密度从10-2gcm-3到410-7gcm-

9、3，再往外就进入了太阳大气的底部。太阳黑子：温度较低的气体旋窝（4500度） 2、太阳大气,根据太阳大气物质密度的稀释情况及物理性质的变化，近似地把太阳大气由内向外分成三层：太阳光球层，太阳色球层和日冕层。光球层是太阳大气的底层，色球层居中，日冕层为最外层。光球的物质密度从其底部的410-7gcm-3向外降至光球顶部810-8gcm-3，色球层居中，密度由光球顶部的810-8gcm-3降到色球顶部的10-14gcm-3 ，日冕层则从10-14gcm-3向外一直下降到行星际空间的极低的密度。,3太阳活动 可以观测到的太阳活动主要发生在太阳大气的各层之中。在光球上出现的黑子和光斑，在色球中产生的耀

10、斑、谱斑和日珥，在日冕中形成的日冕凝聚区等，成为主要的太阳活动现象。这些活动现象所在区域，称为太阳活动区或太阳活动中心。 4、太阳及太阳活动与地磁场的关系： 1）太阳是一个气态球体，本身具有磁场，太阳大气是等离子体，存在带电离子，在太阳磁场的作用下，可以形成电流场和新的磁场，并通过太阳活动将带电离子和磁场代入星际空间与地磁场相互作用； 2）太阳自转周期约为27天，带来一些地磁场变化27天周期性； 3）太阳黑子活动强烈与否与磁暴的强烈与否直接相关，并有11年的周期性；太阳活动向地球或星际空间喷射/辐射带电离子体； 4）太阳活动可分为粒子辐射和光辐射；称为K变化和非“K变化。 K变化：太阳辐射的高

11、速等离子体达到地面与地磁场相互作用而产生变化磁场，引起干扰； 非K变化：是太阳紫外辐射是地球大气层电离，电离层在地磁场中运动产生附加磁场，引起平静变化。,Study Peels Back More of the Magnetic Sun by Phil Berardelli on March 12, 2010 12:2,Researchers have discovered that one of the mysterious forces that sweep the suns surface shows an unexpectedly strong connection with the

12、number of sunspots, magnetic disturbances that can affect Earths weather and telecommunications. The findings should improve predictions of the suns dynamics and might even help scientists develop better climate models. Along with heat and light, the sun emits x-rays and magnetically charged particl

13、es that can endanger astronauts, fry circuits aboard satellites orbiting Earth, and overload electric power lines on the ground. Because of those potential threats, for several decades scientists have been examining the suns magnetic behavior, particularly what drives its 11-year sunspot cycle, whic

14、h at its peak generates dozens of the magnetic disturbances a day and can give rise to gigantic storms, some of,which sweep past Earth. One curious aspect of the solar cycle is meridional flow, which acts like a conveyor belt carrying magnetism to the suns poles. Scientists havent been able to model

15、 it accurately or determine how it might be connected to the sunspot cycle. Solar scientists David Hathaway of NASAs Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, and Lisa Rightmire of the University of Memphis in Tennessee set out to determine how meridional flow correlates with variations i

16、n the sunspot cycle. Using data collected by the Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), a spacecraft launched jointly by NASA and the European Space Agency, the two scientists tracked the motion of small zones of magnetism on the suns surface carried poleward by meridional flow. They used SOHO d

17、ata collected every 8 hours from nearly all of the most recent sunspot cycle, which ended in December 2009. (The data here went until June 2009.) Those observations revealed that as the number of sunspots declined, the meridional flow did the opposite. Its average speed increased from about 30 kilom

18、eters per hour at the peak of the solar cycle, in 2000 and 2001, to over 47 km per hour in 2008 and 2009, after the solar cycle should have ended but was still lingering. Hathaway and Rightmire report their findings in todays issue of Science. But knowing that the meridional flow correlates with the

19、 number of sunspotsand may even be driving themdoesnt solve every mystery here. For example, this solar cycle lasted longer than normal, and the meridional flow sped up unexpectedly toward the endwhy this happened remains a big unknown, says Hathaway. Studying the flow in earlier sunspot cycles migh

20、t help us understand that, although those data are much less detailed than those from SOHO. Were getting information that can test our ideas about how the sunspot cycle works, says solar physicist Neil Sheeley of the U.S. Naval Research Laboratory in Washington, D.C. The findings should also help cl

21、imate scientists refine their long-term models, says solar physicist Philip Judge of the NationalCenter for Atmospheric Research in Boulder, Colorado. Although our understanding of meridional flow remains crude, he says, the study improves the ability to measure it, and this could help refine the suns influence on long-term climate models. Thats important, Judge says, because the flow is connected to the solar cycle, and the cycle is helping to driv