[科普中國]-國際地磁參考場

國際地磁參考場（international geomagnetic reference field）：為了對(duì)基本磁場的高斯系數(shù)給出一個(gè)全世界通用的標(biāo)準(zhǔn)，從1968年開始，國際地磁和高空大氣物理協(xié)會(huì)（IAGA）相繼討論和通過了幾個(gè)不同年代的基本磁場模型，共發(fā)布了11 代IGRF， 其精度不斷提高，適用的時(shí)間范圍也逐漸延伸。IGRF模型廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)、通訊和航天等領(lǐng)域，在地磁測量中可利用其完成對(duì)測量值的預(yù)估與比對(duì)、正常梯度改正等工作。1

簡介國際地磁參考場模型（IGRF）是一個(gè)數(shù)字化的模型，用來計(jì)算1900年到現(xiàn)在的地球主磁場即地核磁場。它是由國際地磁與高空物理學(xué)協(xié)會(huì)（IAGA）的V-MOD工作組支持和贊助下的地磁模型團(tuán)隊(duì)建立和維護(hù)的。1968年，IAGA正式給出了1965年的國際地磁參考場，而現(xiàn)在最新的是第11代國際地磁參考場模型（IGRF11），以后每5年更新一次，主要是更新其中的高斯系數(shù)。這是由于地磁場具有長期變化的特點(diǎn)，所以在一個(gè)模型提出來以后，每經(jīng)過五年又要根據(jù)新的資料對(duì)它進(jìn)行一定的修正，以提高這些參考資料的精確度。1

誤差分析系數(shù)的誤差導(dǎo)致了模型的誤差，因?yàn)樵谇蠼庀禂?shù)過程中，所用的數(shù)據(jù)大部分只經(jīng)過簡單的均方根處理。由于地磁場隨時(shí)間的變化而改變，在建模過程中，我們使用了衛(wèi)星測量的覆蓋全球的矢量數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)是相當(dāng)精確的，但其它時(shí)間段數(shù)據(jù)則是通過地磁臺(tái)站或者其它方式得到的，然后經(jīng)過估計(jì)得到長期變化情況。由于地磁臺(tái)站測得的數(shù)據(jù)覆蓋面積有限，所測數(shù)據(jù)并不能表征全球各個(gè)區(qū)域的地磁場隨時(shí)間的變化情況，因此，建模本身就是一個(gè)誤差來源，而估計(jì)模型的精度更是極其困難。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到如下誤差范圍作為參考：

（1）主磁場誤差來源：①1900—1940年模型給出的精度是50nT，根據(jù)候選模型的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)推斷，精度在100nT左右更為合適；②1945—1960年，誤差在1945年的300nT；到1960年的100nT之間；③1965—1995年，誤差在50nT更為合理；④2000年以后，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用，誤差在2000年的10nT到2005年的5nT之間；⑤ 最近時(shí)間的誤差，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的降低，建議誤差在10nT左右。

（2）長期變化磁場誤差來源：通過5年的時(shí)間估計(jì)長期變化磁場的年變化率是很不準(zhǔn)確的，而且這種變化并不呈線性增長，在1年中各個(gè)月份的變化也有很大差異．因此，采用:線性的年變化率20nT/a是及其錯(cuò)誤的，這無疑增加了模型的誤差。

（3）數(shù)據(jù)處理等人為因素引起的誤差。

（4）地殼異常場引起的誤差：IGRF11模型反映的是地球主磁場的模型，即地核磁場，并沒有包括地殼異常場，例如地球表面的地質(zhì)特征（山脈、海洋、礦物質(zhì)等）引起的短波長的磁場大約為200—300nT。

（5）觀測數(shù)據(jù)本身的誤差；① 人類活動(dòng)的影響（交通、直流高壓輸電線路等），使得在測量時(shí)數(shù)據(jù)并沒有反映地磁場的真實(shí)情況；② 自然條件的影響（太陽磁暴、靜日變化等），一天內(nèi)數(shù)值變化在20nT左右，而磁暴時(shí)可達(dá)到1000nT。1

作用自從高斯(Gauss) 把球諧分析方法引進(jìn)地磁學(xué)中，建立地磁場的數(shù)學(xué)描述以來，地磁學(xué)得到了極大的發(fā)展。1965 年卡安等(J. Cain etal. ) 研究了全球地磁資料的高斯分析，得出全球地磁場模型。其后，IAGA 有一個(gè)專門小組在進(jìn)行以5 年為間隔的國際地磁參考場( IGRF)研究。地磁場起源是愛因斯坦提出的世界性的科學(xué)難題之一。IGRF 的研究與制作， 使得全面研究地磁場長期變化成為可能。長期變化的研究結(jié)果又是研究深部電導(dǎo)率的基礎(chǔ)，是估計(jì)液核磁流體特征速度的根據(jù)，進(jìn)而使地磁場起源中最有希望的發(fā)電機(jī)理論得到較大發(fā)展。

我國學(xué)者利用IGRF 對(duì)地磁場做了許多基礎(chǔ)研究工作。

對(duì)地磁場模型的研究日本學(xué)者Yuku take (1969) 提出了一個(gè)地磁場模型， 認(rèn)為地磁場由固定與漂移兩部分組成。但該模型的長期變化磁場不西向漂移，這與觀測場的情況不符合。為此，我們?cè)谖飨蚱撇糠值姆燃由弦浑S時(shí)間變化的成分， 在修改Yuku take 模型的基礎(chǔ)上，利用1600 年以來的10 多個(gè)參考場的高斯系數(shù)研究了地球非偶極子磁場模型，提出地磁長期變化場亦存在固定和漂移兩部分； 較成功地?cái)M合了1600 年至今的地磁場觀測值， 并用它先后較好地解釋了東亞磁異常的興起和太平洋中部異常的衰減乃至消失的全過程，證明了太平洋中部的非偶極子場異常微弱只是暫時(shí)現(xiàn)象。

吳文京(1983) 從高斯分析是“三維問題”出發(fā)， 研究了高斯分析由于測點(diǎn)離散化而產(chǎn)生的一系列理論問題。王錫碩和祁貴仲(1983) 對(duì)Yuku take 模型的源場性質(zhì)進(jìn)行研究，用地核內(nèi)電流體系模擬了它的源。

徐文耀(1998) 利用1900～ 2000 年國際地磁參考場模型，對(duì)地球主磁場的空間結(jié)構(gòu)和長期變化進(jìn)行了自然正交分量分析，得到了組成地磁場的主要成分(本征模) 及其隨時(shí)間的長期變化(SV )，得出如下結(jié)果：第一本征模描述主磁場穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總體特征，其強(qiáng)度隨時(shí)間單調(diào)減??；第二本征模主要描述印度洋和南大西洋地區(qū)正異常特征，其強(qiáng)度也隨時(shí)間單調(diào)變化；第三本征模對(duì)應(yīng)于加勒比地區(qū)正異常，其強(qiáng)度呈100 a 周期的變化，目前正處于下降階段；第四本征模的主要特點(diǎn)是北美正異常和南亞負(fù)異常， 其強(qiáng)度呈80 a 周期的變化；第五本征模對(duì)應(yīng)尺度較小的局部磁異常，其強(qiáng)度的變化周期約60 a；第六及其以后的本征模則對(duì)應(yīng)空間尺度更小和時(shí)間變化更快的磁異常。分析表明，太平洋地區(qū)的磁場經(jīng)歷著緩慢的單調(diào)減小變化，其結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，幾乎完全包括在第一本征模中。但是，印度洋磁場結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 它是由空間結(jié)構(gòu)不同和變化周期各異的多個(gè)本征模組成的。大西洋的北部、中部和南部分屬不同本征模，它們有完全不同的時(shí)間變化特性。

對(duì)地磁長期變化的研究在對(duì)地磁長期變化的研究中，重磁關(guān)系問題也曾引起大家的興趣。核幔電磁耦合也為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。由于核幔耦合所產(chǎn)生的作用于地幔的力矩，正如布拉德和羅切斯特等所論述的那樣，可以引起所觀測到的地球轉(zhuǎn)速的較長周期項(xiàng)的變化。地球轉(zhuǎn)動(dòng)的另一變化就是自轉(zhuǎn)軸方向的變化，它的主要成分就是錢德勒晃動(dòng)。而核幔電磁耦合是否起到對(duì)錢德勒晃動(dòng)的激發(fā)與阻尼作用還未有定論。我們采用布拉德地球模型，利用IGRF 推導(dǎo)核幔邊界的地球磁場的極型場和環(huán)型場，進(jìn)而推算研究了核幔邊界電磁耦合力矩與錢德勒晃動(dòng)的關(guān)系。我們直接計(jì)算耦合力矩的緯向分量來估計(jì)對(duì)激發(fā)錢德勒晃動(dòng)的貢獻(xiàn)大小， 得出維持晃動(dòng)所需的力矩約為6.7×1020N ·m ，而耦合所能提供給晃動(dòng)的力矩比它小4 個(gè)數(shù)量級(jí)。據(jù)此, 我們認(rèn)為核幔電磁耦合不是錢德勒晃動(dòng)的激發(fā)或阻尼的主要原因。

利用IGRF 開展對(duì)地磁場的模型及其變化規(guī)律性研究，具有明顯的學(xué)科意義和一定的實(shí)用意義，屬于基礎(chǔ)研究。幾十年來地球物理學(xué)得到飛速發(fā)展。地球物理觀測是研究的基礎(chǔ)，學(xué)科發(fā)展主要靠基礎(chǔ)研究。以地磁學(xué)為例，高斯把數(shù)學(xué)里的球諧分析方法引入地磁學(xué)，才有了地磁場的數(shù)學(xué)描述，開辟了地磁學(xué)科研究的新紀(jì)元，把地磁學(xué)由單純觀測的學(xué)科變成以觀測為基礎(chǔ)的既研究又觀測的學(xué)科。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)