Геомагнитное поле и вековая вариация

Основное магнитное поле Земли, в первом приближении, представляет собой поле наклонённого геоцентрического диполя, но в деталях оно отклоняется от этой модели и измеримо дрейфует год от года в результате медленного изменения, называемого вековой вариацией.

Definition

Геомагнитное поле — это магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли и над ней, в котором доминирует внутренний геоцентрический диполь и которое математически описывается разложением по сферическим гармоникам, чьи медленные временные изменения внутреннего происхождения составляют вековую вариацию.

Scope

Эта тема охватывает описание и временную эволюцию основного магнитного поля Земли: его представление потенциалом сферических гармоник, в котором доминирует геоцентрический диполь, элементы поля (склонение, наклонение, напряжённость) и эталонные модели, такие как Международное геомагнитное эталонное поле. В ней рассматривается вековая вариация, включая западный дрейф и геомагнитные скачки, а также разделение внутренних и внешних источников поля. Акцент делается на современном поле и его декадных изменениях, а не на его записи в глубокой истории.

Core questions

• Как основное поле описывается геоцентрическим диполем и сферическими гармониками?
• Что такое элементы поля и как они отображаются в эталонных моделях?
• Что такое вековая вариация и как быстро меняется поле?
• Как разделяются внутренние и внешние вклады в поле?

Key concepts

• Геоцентрический аксиальный диполь и недипольное поле
• Элементы поля: склонение, наклонение, напряжённость
• Представление сферическими гармониками (Гаусса)
• Вековая вариация, западный дрейф и геомагнитные скачки
• Международное геомагнитное эталонное поле

Key theories

Представление поля сферическими гармониками

Гаусс показал, что безвихревое магнитное поле может быть записано как градиент потенциала, разложенного по сферическим гармоникам, что позволяет разделить основное поле на доминирующий диполь, недипольные члены и вклады внутреннего и внешнего происхождения.

Вековая вариация от потока в ядре

Медленный дрейф поля, включая его западное движение и резкие скачки, отражает изменение потока жидкости в верхней части жидкого ядра, предоставляя поверхностное окно в динамику ядра в декадных временных масштабах.

Mechanisms

Основное поле возникает в результате электрических токов в жидком ядре; на поверхности и над ней оно является безвихревым и, следовательно, может быть получено из скалярного потенциала, чьи коэффициенты сферических гармоник медленно изменяются по мере эволюции основного потока, производя измеренную вековую вариацию, в то время как коровые и внешние (ионосферные и магнитосферные) источники добавляют более коротковолновые и более быстрые вклады.

Clinical relevance

Точные модели поля и его вековой вариации необходимы для навигации по магнитному компасу, наклонно-направленного бурения, операций со спутниками и космическими аппаратами, а также в качестве постоянно обновляемого эталона для магнитных исследований.

History

Галлей нанёс на карту склонение над Атлантикой около 1700 года, Гаусс в 1830-х годах ввёл анализ сферических гармоник и впервые разделил внутренние и внешние источники, а современное Международное геомагнитное эталонное поле, теперь дополняемое спутниковыми миссиями, предоставляет регулярно обновляемые глобальные модели поля и его вариаций.

Key figures

• Carl Friedrich Gauss
• Edmond Halley
• George Backus

Seminal works

• backus1996
• merrill1996
• alken2021

Frequently asked questions

Почему компас не указывает на истинный север?

Компас выравнивается по местному горизонтальному магнитному полю, направление которого (склонение) отличается от географического севера, потому что геомагнитное поле не является идеальным аксиальным диполем и варьируется от места к месту; эталонные модели поля дают склонение, необходимое для корректировки компаса.

Что такое вековая вариация?

Вековая вариация — это медленное, ежегодное изменение основного магнитного поля Земли, такое как дрейф магнитных особенностей и постепенное ослабление диполя, вызванное эволюционирующим движением жидкости во внешнем жидком ядре.