地磁场的构成

磁性物质和电流都可以产生磁场。地球磁场就是由地球内部的磁性岩石以及分布在地球内部和外部的电流体系所产生的各种磁场成分叠加而成的。而各种磁场成分的空间分布和时间变化规律也大不相同，据此需对地磁场的组成进行分类研究。

如果按照场源所在位置划分，地磁场可以分为内源场和外源场两大部分。

15.4.1 内源场

内源场起源于地表以下的磁性物质和电流，它可以进一步分为中心偶极子磁场T0，非偶极子磁场Tm，地壳磁场。地壳磁场又称为异常场或磁异常Ta。大范围地磁场的实测表明，各地磁要素在地面上的分布并不完全遵循地心偶极子磁场的分布规律，二者之间有较为显著的差异。从世界正常地磁图中减去按地心偶极子磁场计算出来的地面各点磁场数值，所得差值即为非偶极子磁场（也称大陆磁异常或剩余磁场）。全球的非偶极子磁场是围绕着几个中心分布的，分布的地域非常广。这些异常中心的位置和强度随年代的不同有所变化。

中心偶极子磁场T0和非偶极子磁场Tm统称为主磁场，它是由地核磁流体发电过程产生的。磁异常Ta是由地壳磁性岩石产生的。主磁场和局部异常场变化缓慢，有时又合称为稳定磁场。

内源场中还包括外部变化磁场在地球内部的感应场，与稳定磁场不同的是，感应场变化较快。从全球来看，地核主磁场部分占总磁场的95%以上，异常场约占4%，外源磁场只占总磁场的1%。

15.4.2 外源场

外源场起源于地表以上的空间电流体系。这些电流体系主要分布在电离层、磁层和行星际空间，随时间而变化。所以，外源磁场远比主磁场弱，也表现为随时间短期变化，故又叫作变化磁场。

变化磁场是一种复杂的地磁现象，其变化周期（或时间尺度）通常为几分之一秒到几天。它们有着不同的形态和时空分布特征，并且彼此又常常叠加在一起，因此地磁场的变化有时比较平缓，有时比较剧烈，有时甚至形成复杂的扰动。根据电流体系及其磁场的时间变化特点，一般可以把变化磁场分为两大类，即平静变化和干扰变化。

1.平静变化

平静变化起源于电离层中比较稳定的电流体系的周期性变化，因此它是连续出现的各种周期性的平缓变化。平静变化又可分为太阳日变化（简称日变）、太阴日变化及年变化。三者中日变的幅度最大。

1）太阳静日变化Sq和年变化

太阳静日变化是以太阳日（24h）为周期的日变化，由每月5d磁静日统计得出，通常记作Sq。太阳静日某一时刻Sq的数值为该时刻磁场值减去Sq为零的基线值。零基线值一般采用当天的日均值。Sq除了有确定周期性外，另一个显著的特点是白天（6：00—18：00）的变化强，夜间的变化弱。图15-8是我国某地地磁场强度Z分量在不同季节的静日变曲线。图15-9是我国不同纬度的几个城市的Z分量日变曲线。由日变曲线可以看出，白天的变化大，而夜间变化小，夏季的变化幅度比冬季大。Z分量的日变曲线基本特征是在中午前后有一个明显的极值（北半球极小，南半球为极大），在磁纬度为正负30°附近有最大的变幅。我国大部分地区Z分量的Sq变幅在20～50n T。

季节变化的特点是冬季（11，12和1，2这4个月）Z的日变幅均小；春秋节（3，4和9，10这4个月）及夏季（5，6，7，8这4个月）Z的日变幅无显著变化。

观察已证明，Sq的电流体系位于电离层的E区（地面以上90km至120～150km），该区主要负离子均为电子，正离子为O2+，N2+电离层为完全中性部分电离的气体，有较好的导电性能。在太阳直射的地方，正、负离子的浓度大，而夜间浓度小。由于太阳、月球的潮汐作用以及压强、温度的变化，电离层将产生以水平方向为主的运动，这种运动和地磁场相互作用产生涡电流，从而引起日变的电流体系。

图15-8 不同季节的Z日变曲线图（史謌，2002）

图15-9 不同纬度的Z日变曲线图（史謌，2002）

2）太阴日变化L

太阴日变化是依赖地方太阴时并以半个太阴日为主要周期的周期性变化。因为太阴日（24h50min28s）比太阳日约长1h，所以统计L时可以直接利用各地磁要素的时均值数据，也即每个太阴日取25个时均值。由于每个太阴日取25个时均值，等于把太阴日延长9min32s，这样经过6d就累计延长1h。因此，第6天将缺少第25个时均值数据，这时可把第24个时均值作为第25个时均值重复使用一次。

太阴日变化是非常微弱的，磁偏角的最大振幅只有40″，水平分量和垂直分量的最大振幅只有1～2n T。

2.干扰变化

地磁场的干扰变化常称为磁扰，主要有磁暴和地磁脉动两种类型。

1）磁暴

磁暴是一种剧烈的全球性地磁扰动现象，是最重要的一种磁扰变化类型。从格雷厄姆1722年第一次观测到磁暴变化至今200多年来，磁暴一直是地球物理学界热烈探讨的课题，也是地磁和空间物理学中最具挑战性的课题之一。这不仅因为磁暴对全球地磁场形态有重大影响，而且因为磁暴是日地能量耦合链中最重要的环节。此外，由于磁暴对通信系统、电力系统、输油管道、空间飞行器等有严重影响，所以，磁暴研究也有重要的实际应用价值。

磁暴的形态学特点可以概括为：变化幅度大而形态复杂，持续时间长而全球同步性好。

磁暴发生时，所有地磁要素都发生剧烈的变化，其中，水平分量H（或X分量）变化最大，最能代表磁暴过程特点。磁暴期间H分量的变化在中低纬度地区表现得最为突出，所以，磁暴的大部分形态学和统计学特征是依据中低纬度H分量（或X分量）的变化得到的。图15-10是一个典型的磁暴期间，中低纬度区不同经度的6个地磁台H分量的记录，图中，以世界时为横坐标把6条曲线画在一起。

由图15-10可以看出，磁暴几乎同时在全球开始，其典型标志是水平分量突然增加，呈现一种正脉冲变化，变化幅度最大可超过50n T（一般磁暴为10～20n T），这个变化称为磁暴急始，记作ssc或sc，相应地把这种磁暴叫作急始磁暴。有时在正脉冲前面有一个小的负脉冲，这种急始记作sc*。有的磁暴起始变化表现为平缓上升，叫作缓始磁暴，记作gc。

图15-10 1967年2月16—17日磁暴期间中低纬度区不同经度的6个地磁台H分量的记录

（横坐标为世界时，徐文耀，2003）

磁暴开始之后，H分量保持在高于暴前值的水平上起伏变化，称作初相，持续时间为几十分钟到几个小时。在此阶段，磁场值虽然高于平静值，但扰动变化不太大。

初相之后，磁场迅速大幅度下降，几个小时到半天下降到最低值，并伴随着剧烈的起伏变化，这一个阶段称作主相。主相是磁暴的主要特点，磁暴的大小就是用主相最低点的幅度衡量的，一般磁暴为几十到几百纳特，个别大磁暴可超过1000n T。

主相之后，磁场逐渐向暴前水平恢复，在此期间，磁场仍有扰动起伏，但总扰动强度渐渐减弱，一般需要2～3d才能完全恢复平静状态，这一阶段叫作恢复相。

为了便于对磁暴进行分类统计和研究，常常按照磁暴的形态特点或者强度大小把磁暴分为不同的类型。如按照有无急始变化，磁暴分为急始磁暴和缓始磁暴两大类。它们所包括的初相、主相、恢复相三个阶段没有系统的差别。

图15-11 各类脉动周期范围和平均振幅的关系（徐文耀，2003）

2）地磁脉动

地磁脉动是一种短周期的地磁干扰。即使在磁场平静的时段，地磁记录曲线也会有一些短周期的起伏变化。在快速记录中，这些起伏变化类似于一串一串的波动，这种特殊的磁扰类型叫地磁脉动或微脉动。地磁脉动的周期范围为0.2s到十几分钟，振幅为百分之几到几百纳特，持续时间为几分钟到几小时。

按照形态的规则性和连续性，脉动分为两大类，第一类是具有准正弦波形，且能稳定地持续一段时间的连续性脉动，用Pc表示；第二类是波形不太规则和持续较短的脉动，叫作不规则脉动，用Pi表示。每类脉动又按周期T分为若干小类，Pc脉动分为6类：Pc1，Pc2，Pc3， Pc4，Pc5和Pc6；不规则脉动分为三类：Pi1，Pi2和Pi3。各类脉动的周期和振幅如图15-11所示。