地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (1): 116-121   PDF    
引用本文
曾凌云, 曹晋滨, 魏新华. 1980-2010地磁场的变化[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(1): 116-121, doi: 10.6038/pg20140115  
ZENG Ling-yun, CAO Jin-bin, WEI Xin-hua. Global changes of the geomagnetic field during 1980-2010. Progress in Geophysics, 2014, 29(1): 116-121, doi: 10.6038/pg20140115   
1980-2010地磁场的变化
曾凌云1,3, 曹晋滨2, 魏新华3    
1. 西南林业大学, 昆明 650224;
2. 北京航空航天大学宇航学院, 北京 100191;
3. 中国科学院空间天气学国家重点实验室, 北京 100190
收稿日期: 2013-5-10 修回日期: 2013-10-10 .
基金项目：国家自然科学基金项目 （40804045， 41174144）资助.
作者简介：曾凌云，1988年生，女，湖南衡阳人，中国科学院国家空间科学中心硕士研究生毕业，西南林业大学助教，从事大学物理教学，研究方向和兴趣领域：地磁场的长期变化以及对辐射带长期变化的影响.（E-mail：HYPERLINK“mailto：lingyun198847@126.com”lingyun198847@126.com）
摘要：利用第11代IGRF模型， 研究了1980-2010年期间的地球主磁场的变化特性， 其中包括偶极子磁场、非偶极子磁场、西向漂移和非偶极磁场强度.结果显示1980-2010年30年期间， 非偶极子磁场异常中， 南大西洋正磁异常、非洲负磁异常、大洋洲负磁异常、北美正磁异常区域西漂现象任然存在， 而东亚正磁异常区域具有一定的东向漂移趋势.异常区除了存在西漂之外， 其强度也在不断变化的， 2010年南大西洋正磁异常Z分量大小相比1900年增加了41.2%， 1980年以来以73.8 nT/yr的速度增长， 相比上个世纪速度在增加.非洲负磁异常增加了59.4%， 1980年以来以48.0 nT/yr的速度增长.这个增长速度低于上个世纪平均增长速度（64.9 nT/yr）. 东亚正磁异常增加了21.6%， 近三十年以11.67 nT/yr的速度增加.大洋洲负磁异常110年增加了58%， 并且现在还以41.3 nT/yr的速度增长.而北美正磁异常减少了40.7%， 并且有减弱的越来越快的趋势， 110年来平均减小的速度为30.2 nT/yr， 而近三十年以49.46 nT/yr的速度减弱.
关键词： IGRF模型     偶极场和非偶极场     西向漂移     强度变化    
Global changes of the geomagnetic field during 1980-2010
ZENG Ling-yun1,3, CAO Jin-bin2, WEI Xin-hua3    
1. Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;
2. School of Astronautics, Beihang University, Beijing 100191, China;
3. State Key Laboratory of Space Weather, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Abstract: Based on the eleventh generation of International Geomagnetic Reference Field (IGRF) models, the parameters of main magnetic field were calculated, the parameters includes the dipole magnetic field, the non-dipole magnetic field, westward drift and the non-dipole magnetic field intensity, the secular variations feature of each parameter were analyzed. The magnetic moment of magnetic dipole has been decreasing since 1980, and the magnetic moment of magnetic non-dipole has been increasing during the same period. Five magnetic anomaly area were analyzed, the geomagnetic vertical component of the South Atlantic magnetic anomaly, the African anomaly, the Australia anomaly and the Eastern Asian anomaly growth of 73.8 nT/yr、48.0 nT/yr、41.3 nT/yr、11.67 nT/yr, and the geomagnetic vertical component of the North America magnetic anomaly at decreases Speed of 49.46 nT/yr. During 1980-2010,the South Atlantic magnetic anomaly,the African anomaly, the Australia anomaly and the North America magnetic anomaly are moving westward, but the Eastern Asian anomaly are moving eastward.
Key words: IGRF models     dipole and non-dipole magnetic field     westward drift     magnetic field intensity variation    

0 引 言

地球磁场一百多年的连续观测表明地磁场不是固定不变的(徐文耀，2009；魏自刚，2001；魏自刚和徐文耀，2001)，而是不断发生变化的，这些变化的周期跨越好几个量级，从秒的量级到百年尺度.在古地磁学和考古地磁学研究领域，地磁场的变化有更长尺度的周期(魏自刚，2001).

地磁场的长期变化主要表现在地磁场的强度变化，尤其是非偶极子磁场强度的变化，以及地磁场的西向漂移.地磁场总强度减去偶极子磁场强度后，剩余部分称为非偶极子磁场，也称为异常磁场.徐文耀等人2000年研究表明地磁场总体变化的主要特征是，地球的偶极子磁场在不断减少，非偶极子磁场在不断增强( 徐文耀等，2000).从上世纪初到世纪末，地磁场偶极矩减少了6.5%，而四极子和八极子分别增加了95%和74%( 徐文耀等，2000)，地磁场正逐渐由偶极磁场向非偶极磁场转化，但是由于地球偶极磁场占主要部分，所以，尽管非偶极磁矩在不断增强，地球的总磁场还是在不断减弱.

除了地磁场的偶极子磁场特性逐渐变弱、非偶极子磁场特性逐渐增强之外，地磁场变化还包括地磁场的非偶极子磁场本身的变化.地磁场的非偶极特性主要体现在地磁场非偶极子磁场Z分量(见图 1).地磁场的非偶极子磁场Z分量图显示，地磁非偶极子磁场有几个正负中心，其中以亚洲、非洲、和澳大利亚附近最为明显，这些正负中心以及附近的地区称为磁异常区，正是由于这些磁异常区的存在才使得地球总磁场分布呈现不对称性.地球上有五块大的磁异常区，它们在空间上都有很大的覆盖范围，异常中心强度都接近或超过10000 nT，因此我们也称之为行星尺度异常区，它们分别是南大西洋正磁异常(SAT)、东亚正磁异常(EA)、非洲负磁异常(AF)、大洋洲负磁异常(AUS)、北美正磁异常(NAM)和北大西洋负磁异常(NAT).地磁场的西向漂移主要发生在非偶极子场部分，正是几块大尺度的磁异常区的西向漂移造成了整个地磁场的西向漂移.Bullard(Bullard et al,1950)、Yukutake(Yukutake,1962)、Malin(Malin，1969)、James(James,1968)、Richmond(Richmond,1969)、Adam和Nagata(Nagara,1965)等人先后用不同的方法得到了接近0.2°/yr的全球磁场平均西漂速度.但是，西漂并不是全球一致的现象，最明显的西漂发生在大西洋、欧洲和美国地区，而东太平洋、西亚、加拿大等地区的西漂非常缓慢，因此各个磁异常区的西漂速度不尽相同，AF磁异常区西漂速度最大.但在1940-1960年各个异常区漂移特性发生显著变化的时期，其中四个磁异常区NAM、EA、NAT和AF西漂速度减小，与此同时，它们还存在一定的北漂速度.随后南半球的磁异常区SAT和AUS西漂速度明显减小.

图 1 1900年非偶极磁场磁异常区分布图 Fig. 1 Non-dipolar magnetic field of anomaly region in 1900

地磁场在西向漂移的同时，其强度也在逐渐变化中，上个世纪，全球非偶极磁场强度以每年0.18%~0.36%的速率增长，非偶极磁场强度的增加可分为三个时期，第一时期(1900-1950)是加速增长期，第二时期(1950-1970)是减速增长期，而后又是加速增长期(魏自刚，2001).而对于各个不同的磁异常区来说，其强度变化是不一致的(康国发等，2002).

本文利用1900-2010年国际参考地磁场模型(IGRF)，研究分析1900-2010年地磁场的长期变化，着重分析近三十年来(1980-2010年期间)地磁场的长期变化，特别是磁异常区的变化.

1 地球主磁场的描述方法

1.1 地球主磁场的球谐表达形式

地球主磁场起源于地球内部，它的拉普拉斯方程解可以用分离变量法求出，并写成球谐函数的形式(安振昌，1999 )

式中r是地心距，θ是地理余纬度，λ是地理经度.在(1)式中，n=1 的项约占全部磁场的80%~90%，是地磁场最主要的部分，代表偶极子磁场，这部分磁场相当于一个放置在地心的等效偶极子产生的磁场，称之为中心偶极子，n≥2的项代表非偶极子磁场(徐文耀，2009).

相应的内源磁场分量为：

1.2 国际参考地磁场

国际参考地磁场(International Geomagnetic Reference Field，简称IGRF)是地球主磁场(main geomagnetic field)及其长期变化(secular variation)的系列数学模型(mathematics models).每一个模型包括一组球谐(spherical harmonic)或高斯(Gauss)系数gnm，hnm.数学模型表达式为主磁场拉普拉斯方程解的球谐函数形式，即公式(1).

近年来，一些新的地磁模型都是通过Gauss理论建立(冯彦等，2011；Maus et al，2009,；Maus et al, 2008).Sabaka 等对有关 IGRF建模的原理作了详细的阐述(Sabaka, Hulot and Olsen, 2010 ).诸多国内外学者也都利用不同年代的IGRF模型分析研究地磁场分量、地磁偶极子场以及磁异常等长期变化特征(徐文耀和白春华.2009；安振昌，1999).2010年，Olsen利用Oersted、CHAMP和SAC-C卫星的数据建立了最新的CHAOS-3模型，通过它建立了IGRF11的候选模型( Olsen et al，2010 ).Maus 等利 用IGRF10 以建立720 阶的椭球谐模型( Maus，2010 ).

根据第十一代国际参考地磁场(IGRF)地球主磁场系数和长期变化项系数，计算并绘制1900-2010年每5年间隔的地磁场各个参数的等值线图.

2 地磁场总体变化特征

图 2给出了1980年至今地磁偶极矩(n=1)和非偶极矩(n=2、3、4)部分的变化.地球的偶极子磁场不断的减少，非偶极子磁场不断的增强.1980年至2010年偶极子磁矩基本呈线性减少，减少率为5.37×1019A·m2/yr；四极子磁矩基本呈线性增加，增长率为4.37×1019A·m2/yr；值得注意的是，八极矩的变化趋势有明显改变，在1980-1995年期间以每年1.42×1019A·m2/yr的速率线性增加，1995-2000期间年增长放缓，增长率减少为7.4×1018A·m2/yr，2000年之后基本保持不变；十六极子和偶极子变化趋势一样，不断减小，因为十六极子所占非偶极子的比重远小于四极子和八极子，所以尽管十六极子在逐渐减小，但是非偶极子总体还是呈现增大的趋势.

图 2 1980-2010年期间偶极子磁矩(M1),四级子磁矩(M2),八级子磁矩(M3)和十六级子磁矩(M4)变化 Fig. 2 Variation of dipole moment 、quadrupole moment、octupole moment and hexadecapole moment during 1980-2010

由于偶极子磁场占地球主磁场主要成分，所以近30年来的地球总磁场在不断减弱.图 3给出了1950-1920、1980-1950和2010-1980地磁场总强度的差值等值线图.

图 3 1950-1920、1980-1950和2010-1980 地磁场总强度差值等值线图 Fig. 3 Differentials of Magnetic field’s strength for 1950-1920、1980-1950 and 2010-1980

1950-1920年地磁场总强度的差值等值线图显示地球总磁场强度在大部分地区是减弱的，其中在W140°-E45°和S40°-S85°范围内，总磁场减少量最大达到3500 nT.值得注意的是在东半球E20°-E120°和N50°-S45°范围内，总磁场有显著增长，最大值达到2000 nT.

1980-1950年地磁场总强度的差值等值线图与1950-1920年的相比有明显的变化，在北半球总磁场增加的区域范围明显增大，北纬60°—北极范围，磁场变化幅度由原来的-500 nT变成1000 nT至2000 nT范围，相对1950-1920的差值，全球磁场增大的范围增大了.

2010-1980年地磁场总强度的差值等值线图与1950-1920年的相比有明显改变.在原来西半球总磁场减小量最大值为3500 nT的区域，总磁场减小值降为约2500 nT.但在西北半球新出现了一个总磁场大幅度减少的区域.这个区域位于W50°-W110°和N10°-N50°的范围内.该区域中总磁场减小的幅度最大达到了3500 nT.东半球总磁场增加 的区域也有所减小.其中总磁场增大值2000 nT以上的红色区域缩小为E45°-E80°和S15°-S45°范围.

上述三幅图，实线所包围的区域为正值，表示该区域总磁场强度增大，负值范围大于正值范围，所以地球磁场变化的总趋势仍然是减少.这与地球磁场偶极矩减小的趋势是一致的.

3 地磁场整体西漂速度特征

以0°磁偏角与赤道线的交点位置表示全球磁场西漂的特征位置，在近110年间，整个地磁场的平均西漂速度大致为0.2°/yr( Langel，1987；安振昌和王月华1999)，图 4给出了1900-2010年间，每十年地磁场整体西漂的速度.图 4清楚地显示，在不同时间段，磁场的西漂速度是不一样的.在1900-1920年期间，其西漂速度为0.26°/yr，远大于110年的平均速度，而在1920-1930年间，西漂速度只有0.17°/yr，之后20年，即1930-1950年间西漂速度继续减小至0.15°/yr，随后西漂速度慢慢增加，在1970-1980期间，速度已至0.24°/yr，而在2000-2010年间，西漂速度是0.17°/yr，西漂速度明显变小.由此得出，地磁场尽管一直存在西漂的趋势，但是其速度在不同时期有所不同，特别是在2000年以后，其西漂速度显著变慢.

图 4 地磁场整体西漂速度变化 Fig. 4 Westward drift of geomagnetic field

另外，尽管全球的磁异常区主要呈现西漂的趋势，但是各个异常区的漂移速度不尽相同.表 1给出了1980-2010年各磁异常区西漂速度.

表 1 1980-2010年各磁异常区西漂速度(向西为正) Table 1 The west drift speed of each magnetic anomaly

以南大西洋为例，它是地球上面积最大的磁异常区.在1900-2010年期间，南大西洋异常区呈现比较稳定的西南向漂移，平均西漂速度为0.12°/yr，在1980-2010年间，其西漂速度保持逐步增加的趋势；东亚异常(EA)为正磁异常，在1900-2010年期间总体特征是西向漂移，但漂移速度不大，比全球磁场的平均西漂速度小，且在1980-2010年间表现出东向漂移特征；北美正磁异常(NAM)总体呈现西北向漂移(安振昌和王月华1999)；非洲负磁异常(AF)则表现出快速的西漂，远大于全球磁场西漂速度；大洋洲负磁异常(AUS)在1980-1985年间西漂速度很小，但在2000年以后，其西漂速明显加快，2005-2010期间的西漂速度达到0.20°/yr.

4 异常区强度变化趋势

在研究地磁场的长期变化时，时常假定地磁场的漂移是长期变化的主要因素，因而忽视了磁场强度的长期变化.图 5显示了1900-2010年非偶极磁场Z分量分布的变化.

图 5 非偶极磁场垂直强度(Z)分布图 Fig. 5 The vertical component map of 1900,1940,1980 and 2010

图 5显示，异常区除了存在西向漂移外，其强度也在发生变化，总体呈现减小的趋势.以NAT磁异常区的变化最为显著.它由1900年全球磁场Z分量最小(Z的负方向最强)，逐渐减弱，变为2010年几乎看不出异常区域的特征.

我们选取非偶极场磁异常区的Z分量极值点强度，分析非偶极磁场的强度变化. 表 2给出 1900-2015年非偶极磁场磁异常中心的Z分量强度.其中2015年数据是根据IGRF中SV项推算得出.

表 2 1900-2015年非偶极磁场磁异常中心的Z分量强度 Table 2 The intensity of each magnetic anomaly center for 1900-2015

图 6是根据表 2的数据画出1900-2010年的各磁异常区中心Z分量强度Bz变化图.为了叙述的方便，对于非洲磁异常区(AF)和大洋洲磁负异常区(AUS)，我们取－Bz.由图 6可以看出，除北美正磁异常的强度在逐渐减小外，其他四个磁异常区域的Bz都在增加，其中南大西洋增加的幅度较大，在此期间，2010年南大西洋正磁异常Z分量大小相比1900年增加了41.2%，平均增长速度为62.2 nT/yr，南大西洋增长较慢的时期是1900-1940年，而在近30年，该磁异常区的增长速度为73.8 nT/yr，远远大于110年间的平均增长速度，说明南大西洋磁异常的垂直分量存在较大的增长趋势，同时南大西洋也是几个磁异常区中变化速度最快的一个磁异常场区.

图 6 1900-2010年的各磁异常中心强度(Z)变化图 Fig. 6 The variations of intensity of each magnetic anomaly during 1900-2010

非洲负磁异常在110年间增加了59.4%，平均增长速度为64.9 nT/yr，而近30年的增长速度仅为48.0 nT/yr，变化速度趋于平缓.

东亚正磁异常增加了21.6%，为几个大尺度磁异常区中变化最小也是最慢的一个区域，平均增长速度为29.4 nT/yr，尤其是近30年增长速度仅为11.67 nT/yr，可说是非常平缓.

大洋洲负磁异常增加了58%，以每年47.0 nT/yr的速度增长，并且从图上可以看出，大洋洲磁异常的变化速度基本上保持不变，对于近30年，速度为41.3 nT/yr，与平均速度基本一致.

而在各磁异常区垂直分量增加的时候，北美正磁异常Bz大小却减少了40.7%，并且减小的趋势也在增加，北美磁异常110年的平均减小速度为30.2 nT/yr，而近30年的减小速度增加至49.46 nT/yr.虽然该异常区减小的速度在增加，但是纵观全球的磁异常区，整个地磁场的非偶极场的特征会越来越明显.

综上所述，全球大尺度的五个磁异常区域，南大西洋磁异常区、非洲磁异常区、东亚磁异常区和大洋洲磁异常区的磁场强度都在增强，只有北美磁异常区的磁场强度在减弱，整个地磁场的非偶极磁场的强度在增强，换言之，全球磁场的异常强度在增强.即地磁场非偶极磁场特征越来越明显.

5 结论与讨论

上个世纪至今，地磁场偶极子磁场部分逐渐减少，非偶极磁场部分逐渐增加，由于偶极子磁场部分占主磁场的80%~90%，所以地磁场的总强度任处于逐渐减弱的趋势中.

地球磁异常特征体现在非偶极磁场部分，磁异常区的西向漂移构成了整个地磁场的西向漂移，其中跨度范围较大的异常区有南大西洋负磁异常区、东亚正磁异常和大洋洲负磁异常，其西漂的速度约为0.12°/yr、0.09°/yr和0.23°/yr，不同的西漂速度表明整个地磁场的西漂现象是不一致的.异常区除了存在西漂之外，其强度也是不断变化的， 2010年南大西洋正磁异常Z分量大小1980年以来以73.8 nT/yr的速度增长.非洲负磁异常近30年的增长速度低于110年来平均增长速度.东亚正磁异常、大洋洲负磁异常分别以11.67 nT/yr和41.3 nT/yr的速度增加.而北美正磁异常在其他磁异常增强的同时以越来越快的趋势减弱.

以上结果是根据第11代IGRF计算得出的，因此IGRF的精确度决定了计算结果的准确性.在分析磁异常区强度变化特征时，选取的是各个磁异常区极值点的强度，不能反映磁异常区面积大小的变化，但是这种方法对于分析强度的变化特征影响不大.

地磁场的长期变化决定了地球辐射带的长期变化.这主要是由于地球辐射带位于球壳指数L小于6的区域，这个区域的地磁场还是主要受地磁内源场控制.地磁场偶极子磁场逐步衰减，辐射带的漂移壳会因此下沉，地磁场非偶极子磁场西漂，辐射带必然会随之发生变化.尤其是南大西洋磁磁异常区，南大西洋磁异常 (South Atlantic magnetic anomaly)区域的磁场强度约是周围同纬度正常区磁场强度的一半大小，使得空间高能带电粒子环境分布改变，形成辐射带的南大西洋异常区.南大西洋异常区是引起低轨道航天器辐射危害严重的区域，是带电粒子诱发的异常或故障的高发区.地磁场长期变化与辐射带长期变化的关系将是我们未来的研究课题.

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