地磁场长期变化特征分析

王铭浩

[摘要]地磁场的变化覆盖范围从秒量级到百万年量级之间，跨越了非常大的广度。其中短期的变化一般是由地球外层空间活动所引起的，而长期变化通常是由地球内部的活动所引起的。本文对地磁场的长期变化特征进行了简单的分析，这对研究人员了解地磁场与地球内部物理过程具有一定的意义。

[关键词]地磁场 长期变化特征 IGRF

[中图分类号] P318 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-144-1

1地磁场长期变化特征计算方案

本文通过IGRF（国际地磁参考模型）对地磁场分布及长期变化特征进行描述。地磁场长期变化涉及到大量的参数，其中主要包括磁偶极矩、磁极位置、磁场能量的变化情况以及西向漂移等参数[1]。本文选择磁场能量变化、磁偶极矩和西向漂移三个参数进行计算。主磁场能量的表达式为：

2方法与结果分析

2.1分析方法

本文利用小波变换的方法对地磁场的长期变化特征进行分析，相对于传统的Fourier变换方法来说，小波变换可以对地磁场局部时频特征进行分析，因此更加适合对地磁场长期变化过程中的时变信号进行检测和分析。这里选择Morlet小波变换，时间序列f（t）的小波变换可以进行如下定义：

公式（4）中的ψ表示ψ的共轭复数，a表示伸缩因子，b表示平移因子，Wf（a，b）表示小波变换系数，通过该公式对国际地球自转服务机构所公布的1623.5～2005年期间的年均日长值序列进行一维小波变换，可以得到小波变换系数的实部、幅值以及相位等信息。

2.2地磁长期变化

根据公式（4）对各个参数进行小波变换，由于在小波变换的过程中，资料序列段的数据所得到的结果存在端部效应，导致该位置的结果精度下降。因此，这里选择1800～2000年之间的资料进行分析，从而避免端部效应带来的影响。

从图1中可以看出LOD和WN（n）2个参数在小波变换后所得的结果存在66年和32年两个平均周期。随着时间的推移，研究的所有参数的小波谱焦点位置所对应的周期值与具体强度都不断发生变化，这表明各个参数的周期变化具有时变特性，而根据这种特点，可以说明这些参数的周期变化属于准周期变化。

在地磁场能量中，偶极子项（n=1）的能量具有绝对优势，能量的具體变化率主要受到偶极子磁场能量变化的影响。通过对小波变化结果分析发现M和W（n）与LOD的小波谱的分布存在差异，不存在相同或者相近的周期成分，这说明了LOD与偶极子磁场的周期变化之间不存在直接关系[3]。

通过对地磁场能的分析可以发现，偶极子与四极子确定的等效场源距地心的大约距离为1160km，位于地球内外和的交界位置附近。这说明了地磁场非偶极子部分与核幔边界的物理过程存在一定的关系，LOD与非偶极子磁场长期变化存在相同的准周期分量，这说明了LOD与非偶极子源于核幔边界附近流体的周期运动过程。

3结论

本文结合国际地球自转服务机构所公布的1623.5～2005年期间的年均日长值序列资料对地磁场长期变化特征进行了分析，主要得到以下几点结论：

（1）磁偶极矩和地磁场总能量的长期变化两个参数的变化主要受到偶极子磁场变化的影响。

（2）非偶极子磁场的能量与西向漂移的长期变化存在66年和32年两个准周期分量。这说明了非偶极子磁场能量与日常变化周期之间具有时滞相关规律，时滞的具体值主要受到非偶极子磁场的具体参数和周期分量大小的影响。

（3）日长值的变化与地磁场长期变化之间不存在因果关系，主要受到核幔边界流体的周期运动过程的影响。

参考文献

[1]刘元元.最新国际地磁参考场模型IGRF11研究[J].地震学报，2013（01）：125-131.

[2]易世华.变化地磁场预测的支持向量机建模[J].地球物理学报，2013（01）：127-135.

[3]康国发.1690～2000年地磁场能量的三维分布及其长期变化[J].地球物理学进展，2007（01）：80-86.