地磁场与长期变化

地球主磁场在第一近似下是一个倾斜的地心偶极子，但其细节有所偏离，并且每年以一种称为长期变化的缓慢变化可测量地漂移。

Definition

地磁场是在地球表面及以上观测到的磁场，主要由内部地心偶极子主导，并通过球谐展开进行数学描述，其内部起源的缓慢时间变化构成了长期变化。

Scope

本主题涵盖地球主磁场的描述和时间演变：其通过以地心偶极子为主的球谐势表示，磁场要素（磁偏角、磁倾角、磁场强度），以及国际地磁参考场等参考模型。它讨论了长期变化，包括西向漂移和地磁突跳，以及内源场与外源场的分离。重点在于当前磁场及其十年尺度的变化，而非其深时记录。

Core questions

• 主磁场如何通过地心偶极子和球谐函数描述？
• 磁场要素有哪些，它们如何在参考模型中绘制？
• 什么是长期变化，磁场变化的速度有多快？
• 磁场的内部和外部贡献如何分离？

Key concepts

• 地心轴向偶极子和非偶极场
• 磁场要素：磁偏角、磁倾角、磁场强度
• 球谐（高斯）表示
• 长期变化、西向漂移和地磁突跳
• 国际地磁参考场

Key theories

磁场的球谐表示

高斯表明，无源磁场可以写成以球谐函数展开的势的梯度，从而可以将主磁场分离为主要的偶极子、非偶极项以及内部和外部起源的贡献。

地核流动引起的长期变化

磁场的缓慢漂移，包括其西向运动和突然的突跳，反映了液态地核顶部流体流动的变化，为十年时间尺度上的地核动力学提供了一个地表窗口。

Mechanisms

主磁场起源于液态地核中的电流；在地球表面及以上，它无电流，因此可由标量势导出，其球谐系数随着底层地核流动的演变而缓慢变化，产生测得的长期变化，而地壳和外部（电离层和磁层）源则增加了短波长和更快速的贡献。

Clinical relevance

准确的磁场及其长期变化模型对于磁罗盘导航、定向钻井、卫星和航天器操作至关重要，并可作为磁测量的持续更新参考。

History

哈雷在1700年左右绘制了大西洋上空的磁偏角图，高斯在19世纪30年代引入了球谐分析并首次将内源与外源分离，而现代国际地磁参考场，现已通过卫星任务获取信息，提供了定期更新的全球磁场及其变化模型。

Key figures

• Carl Friedrich Gauss
• Edmond Halley
• George Backus

Seminal works

• backus1996
• merrill1996
• alken2021

Frequently asked questions

为什么指南针不指向正北？

指南针与当地水平磁场对齐，其方向（磁偏角）与地理正北不同，因为地磁场不是一个完美的轴向偶极子，并且随地点而异；参考场模型提供了校正指南针所需的磁偏角。

什么是长期变化？

长期变化是地球主磁场缓慢的、逐年变化，例如磁特征的漂移和偶极子的逐渐减弱，由液态外核中不断演变的流体运动驱动。