地球磁场及常用坐标解读
地球的磁场知识点总结
地球的磁场知识点总结地球的磁场主要由地磁场和地球磁层组成。
地磁场是由地球内部的流动物质产生的，它的存在使得地球周围形成了一个保护层，可以挡住来自宇宙空间的宇宙射线和太阳风，维护了地球生物的生存环境。
地球磁层是由地磁场作用于地球外部高层大气中的电离层产生的，它可以使地球周围形成一个环绕地球的磁层。
地球的磁场对于地球科学领域有着较为重要的作用。
首先，地球的磁场是地球的一个重要特征。
通过地球磁场的变化，可以研究地球内部的流动情况，进一步地可以了解地球内部结构和活动。
其次，地球的磁场对于地球的生命环境有着较为重要的影响。
地球的磁场可以挡住来自太阳和外太空的有害射线，维护了地球生物的生存环境。
再次，地球的磁场也对于地球的导航和定位有着重要的意义。
地球的磁场可以为地球上的罗盘提供一个稳定的参照系，能够在一定程度上引导人类进行导航和定位。
除此之外，地球的磁场还对于地球外部磁层的形成和演化有着重要的影响。
地球磁层的形成与地磁场有着直接的关系，地磁场的变化能够影响到地球磁层的形成和演化过程。
因此，地球磁场的研究对于了解地球外部磁层的演化与形成过程具有着非常重要的意义。
地球的磁场是如何产生的呢？地球的磁场主要是由地球内部流动的熔融金属铁所产生的。
可以简单地认为，地球内部有一个大型的类似磁铁的物质，它的存在使得地球在空间中产生了一个类似磁铁的磁场。
地球内部的流动熔融金属铁是产生地球磁场的主要动力，通过地幔富含的铁、镍和其他金属元素会形成一个大型的磁场。
地球的磁场是如何变化的呢？地球的磁场是不断在变化的，它会随着地球内部的流动和变化而发生变化。
地球磁场的变化有周期性，约10000-100000年左右发生一次磁极颠倒的现象。
而且，地球的磁场变化也会受到太阳活动的影响，太阳活动的增加或减少都会对地球磁场产生一定影响。
地球的磁场是如何被研究的呢？地球的磁场研究主要通过地球磁场观测站和磁场卫星观测来进行。
地球磁场观测站能够对地球磁场进行实时观测和监测，能够精确地了解地球磁场的变化情况。
地磁
第一节 地球的磁场
一 、磁场的基本物理量 磁化率
M H
称为介质的磁化率。 磁化率表示物质磁化的难易程度。 值越大，说明越容易磁化。由于值是表 示岩石磁性强弱的物理量，所以它是磁法 勘探的物性依据。
第一节 地球的磁场
一 、磁场的基本物理量 物质的磁性：反磁性、顺磁性、铁 磁性
反磁性：磁化率很小，可看成无磁性物质。（1~-2）*10-6CGSM。岩盐、石油、方解石 顺磁性：磁化率（0~500 ）*10-6CGSM。黑云母、 辉石、褐铁矿。 铁磁性：几千~几百万个10-6CGSM。只有铁、 镍、钴以及它们的化合物、合金，铬、锰合金。
2M s 当x 0时，Z max h2 若令Z a 0, 则 x0 h
水平圆柱体磁场
水平圆柱体磁场
任意走向水平圆柱体的磁异常剖面
水平圆柱 体不同有 效磁倾角 时的剖面 曲线
板状体磁场
A 薄板状体的磁场 B 厚板状体磁场 C 顺层磁化无限延深厚板
无限延深厚板（顺层磁化）的座标
第六节 磁性体的磁场
正问题的假设 （1）磁性体为简单的几何形状；（2） 磁性体是均匀磁化的；（3）天然剩磁与 感应磁化强度方向相同；（4）磁性体孤 立存在；（5）观测面是水平的。
第六节 磁性体的磁场
一、柱体磁场
单极的磁场
第六节 磁性体的磁场
单极的磁场
b.双极磁场
Z a Z a (-m) Z a ( m)
F 1 40 QmQm 0 3 γ
磁场强度
F 1 Qm H 3 γ Qm 0 40
第一节 地球的磁场
一 、磁场的基本物理量 磁感应强度（毕奥—沙伐尔定律）
0 ldl r B 3 4 L r
地球磁场解读
地球磁场解读简单地说：地球磁场是由太阳射电而使电离层电离的自由离子运动形成气体电流产生的。
一.太阳射电：太阳在辐射光和热的同时还辐射出大量的远紫外线、X 射线、高能离子流等电能，叫太阳射电，这是众所周知无可置疑的。
地球上的电离层正是由空气中的氧原子吸收了波长小于0.175微米的太阳紫外线产生高温（1000度C以上），成高度电离状态，电离出大量的正离子和自由电子，促成了气态电场。
电离层的特点是白天电离程度高，晚上电离程度低，这一高一低就产生了电场的电势差（电压），白天的高温膨胀力和活跃的离子动能总是由高电势向晚上的低电势面运动，随着太阳东升西落的周期性运动，太阳射电的动能作用力驱使电离层中的正离子随太阳做圆周运动，形成了闭合回路的气体电流，产生了地球的电磁场。
（通常的空气是良好的绝缘体，而电离层却是良好的导体）。
由于太阳东升西落，时间、方向都不改变，所以说地球磁场是一个直流电磁场。
二.电离层事实上地球上有三个各自独立的电离层环绕。
一是暖层85-800千米高度的高电离层；二是25-55千米高度的平流层低电离层；三是海洋电离层（说海洋电离层是因为海洋中有大量的氯化钠正负离子，叫液态电离层）。
这三个电离层都与地球电磁场有直接而密切的关系。
三.磁场方向前面说过，气体电离层中有大量地正离子和自由电子，正离子是受太阳射电而产生而运动的，所以太阳运动的方向就是正离子运动的方向（物理学中把正电荷运动的方向叫电流的方向），所以地球磁场的方向可以用安培的右手定则来判定（伸出右手让四指和太阳运动的方向保持一致，那么拇指所指的方向就是地磁场中心轴线的方向）。
四.变化的磁场地球磁场虽然是直流电磁场，但它并不稳定。
比如：磁暴现象就是太阳射电抛出的高能离子流冲击电离层（如瀑布冲击水面一样），造成气体电流紊乱，电流紊乱电磁场也自然不稳定了。
磁暴时指南针剧烈摆动是电离层紊乱的反眏。
除此之外，地磁场还有一个基本稳定的变化规律，这个变化原自太阳活动的周期性变化（即黑子、耀斑的出现规律，耀斑出现时太阳射电可增强几百万倍），太阳射电的强弱变化和太阳在地球上南北回归线之间的螺旋移动变化形成了变化电场。
地球磁场方向
地球磁场方向地球磁场是地球周围的一个空间，其中包含了磁场强度和磁场方向这两个重要的指标。
磁场强度是指地球周围的磁场的强弱，而磁场方向是指地球磁场的指向。
本篇文章将探讨地球磁场方向的相关内容。
地球磁场是由地核中的流动熔岩所产生的。
地核是地球内部最深处的部分，由铁和镍组成。
地核的外层称为外核，外核的流动产生了磁场。
地球磁场是非常复杂的，它随着时间而变化，并且具有不同的方向。
在地球磁场中，地球南极磁场是指地球磁场指向地球南极的区域。
而地球北极磁场则是指地球磁场指向地球北极的区域。
地球磁场的方向通常用地球磁北极和地球磁南极来表示。
地球磁场的方向在地球表面上的不同位置是不同的。
在地球赤道附近，地球磁场的方向是水平的，指向地球南极。
而在地球北极附近，地球磁场的方向是垂直的，指向地球南极。
同样，在地球南极附近，地球磁场的方向也是垂直的，指向地球北极。
地球磁场的方向和强度对地球上的生物和地球物理现象有重要影响。
地球磁场对于动物的导航和迁徙具有重要作用。
例如，许多动物，如鸟类和海龟，利用地球磁场来导航自己的迁徙。
它们可以根据地球磁场的方向来确定自己的位置和航线。
地球磁场的变化也会对电磁辐射和电离层有影响。
地球磁场可以保护地球表面免受太阳风暴和宇宙射线的辐射。
在地球磁场较强的地方，辐射水平较低，而在地球磁场较弱的地方，辐射水平较高。
电离层是地球大气层的一部分，它也受到地球磁场的影响。
地球磁场的变化会对电离层的运动和特性产生影响，从而对无线通信和卫星导航等技术产生影响。
地球磁场的方向还有助于科学家们研究地球内部的结构和动态。
通过分析地球磁场的方向和强度，科学家们可以获取地球内部的信息。
地球磁场的方向变化可以揭示地球内部的流动和动力学过程，帮助我们了解地球的演化和地壳板块的移动。
总结一下，地球磁场方向是地球磁场的指向。
地球磁场的方向在地球表面上不同位置是不同的，通常用地球磁北极和地球磁南极来表示。
地球磁场的方向和强度对生物和地球物理现象有重要影响。
地球磁场及常用坐标
外源场主要是变化磁场，包括宁静变化场和扰动变化场。 外源 按照电磁场理论， H=J ，电流可以产生磁场。 地球空间的某些区域存在空间电流系， 地球外源场主要由这些空 间电流系产生。 空间电流系包括磁层电流和电离层电流。 它引起 地磁场的短期扰动变化。 地磁场最快的周期性变化是地磁脉动， 变化周期最高可达到几十 Hz，规则变化有周日变化、季节变化以及与太阳 11 年活动周期 有关的长期变化等。 扰动变化有磁暴、磁亚暴和其它与太阳风有关的不规则起伏。
5
在不同扰动条件下场向电流的分布和流向。
电离层电流
在电离层 E 层存在一个电流系， 即 Sq 电流系， S 表示太阳， q 表示宁静。
Sq 电流系的分布相对太阳是固定的， 其产生的 Sq 磁场的分布相对太阳也
是固定的。 电流系在个每半球有一个电流旋涡，中心大致在地磁纬度30左右的正 午子午线上。电流在北半球逆时针旋转，南半球相反。
Sq 电流系在磁倾赤道（磁倾角为零）上空5最强，称作赤道电集流。 Sq 电流系存在明显的周日变化和季节变化，夏至最强，冬至最弱。 Sq 电
流系生成的磁场主要影响地面及其邻近高度磁场的分布。 在极区，电离层也存在一个电流系，称作是 Sqp 。 Sqp 电流系也由两个电 流涡旋组成。一个位于极区黎明部分，电流沿着顺时针方向流动；一个 位于极区黄昏部分，电流沿着逆时针方向流动。
4
电流系在电离层 95—120 公里 的高度，即在电离层的 E 层高 度。物理问题的处理简 化，图象更清晰。 不过，由于地壳中铁质矿物分布不均匀，在地表附近， 偶极子场与实际地磁场偏差较大；另外，由于在空间存 电流系，并且太阳风对地磁场的作用使地磁场变形，在 4 个 RE 以外，偶极子场与实际地磁场偏差也较大。在这两 个区域，有时不能使用偶极子场近似。 一般情况下， 2 至 4 个 RE 范围内偶极子场与地磁场的偏差 仅 1％，是很好的近似。
第四章 地磁学1-3节
最早长期变化现象较为系统的记录是磁倾角和磁偏角 的变化。图为400年来伦敦和巴黎磁倾角和磁偏角的 矢量图。可看出，二者在相当长的一段时间内（几十 年）表现为单调的增减变化。
各大陆不同时期的地磁偏角和古纬度
表中列出了伦 敦、巴黎和罗 马的磁偏角长 期变化的情况， 由表可看出极 大值到极小值 的时间间隔约 为 240 年 。 因 此磁偏角的长 期变化似有 500 年 左 右 的 周期。
由：B H H U
有：
k
U U U B 0 i j x y z
四、磁偶极子 磁偶极子：磁偶极子是由一对等 量异号的点磁荷组成的体系，点磁荷 之间的距离l远比到场点的距离r为小。
在距磁偶极子中心O点相当远的场点P的 磁势为：
磁偶子的磁偶极矩和磁距之间的关系为：
据地磁场的高斯球谐分析，稳 定磁场和变化磁场还可以分为起 源于地球内部和地球外部两部分。 内源场：起源于地球内部的稳 定磁场称为地磁场的内源场。 外源场：起源于地球外部的稳 定磁场称为地磁场的外源场。
外源变化磁场起源于地球 外部的各种电流体系。 这种外部变化的电流体系 的磁场还会在具有导电性质 的地球内部感应出一个内部 电流体系，这是产生内源变 化磁场的原因。
Q m1Q m 2 Fk 2 r
磁场强度H：试探磁荷在磁场中所受的力。
F 1 Qm H Q mo 4 0 r 2
点磁荷在空间产生 的磁场强度。
单位：A m1 或奥斯特（两单位之间的换算： 磁感应强度B： 1 Q
B 4 r
m 2
点磁荷在空间产生 的磁感应强度。
单位： 国际单位制SI中，特斯拉T 高斯单位制中，高斯Gs 两单位之间的换算：
V r er r e r sin e
一、地球磁场
地磁场：地球周围存在的磁场。
宏观上看，地球磁场与位于球心的磁偶极子磁场相似；地磁场有两个磁极，其极位于地理北极附近，极位于地理南极附近，但不重合，磁轴与地球自转轴的夹角现在约为78.2度、西经102.9度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东京139.4度（南极洲）。
长期观测证实，地磁极围绕地理极附近进行着缓慢的迁移。
受地磁场作用，磁针的化第一章地球的磁场 地磁场：地磁场有大小和方向，它 描述地磁场大小和方向的物理量，称作地磁要素、地磁要素及其分布在直角坐标系下，地磁要素有：总磁场强度T、垂直磁场强度Z、水平磁场强度HHÎ水平X分量(北向)、水平Y分量(东向)H Xtan I H =tan D X =()T Xi Yj Zk =++K K K K地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成中心偶极子磁场和大陆磁场组成基本磁场Î来源地球内部，占地磁场主要部分(98%以上)主要指短期变化磁场，来源地球外部，占地磁场1%以下磁异常地壳浅部具有磁性的岩石或矿石所引起的局部磁场，它叠加在基本磁场之上。
测量地磁场中，研究对象所产生的磁场称作磁异常，其他部分称作正常场，或称背景场，也称基准场。
Î正常场和异常场是相对的概念地磁场是空间和时间的函数Î需要实际测量实际测量方式：地磁台地磁要素随时间变化所以，将不同时刻观测数据归算到某一特定日所成的地磁要素等值线图Î地磁图首先是天文学家哈雷于1701 年编度的等值线图于1827 年问世.地磁场是和时间的函数－ 地磁场各要素随空间变化情况（体现出偶极子场特点）地磁场是空间和的函数－ 地磁场各要素随时间变化情况－变化磁场分两类：一是由内部场源引起的缓慢的长期变化；一是来源于地球外部场源的短期变化。
通过世界各地地磁台长期连续观测（2）地球磁场向西漂移（地磁场偶极矩大约 其中,17 %是近400年来减小的.1835Î1980年为7.91x1022Am2Î2000年为7.78x10Am1835Î1980年为7.91x1022Am2Î2000年为7.78x10Am Î两千年后，接近0！Î磁极倒转(?)在测定岩石的剩余磁性时，发现相当一批岩石的磁化方向与现在的地磁场方向相的改则变成了磁北极。
地磁坐标系和地理坐标系换算关系
地磁坐标系和地理坐标系换算关系地磁坐标系和地理坐标系是两种不同的坐标系统，用于描述地球上的位置和方向。
它们在地理和导航领域中起着重要的作用。
本文将深入探讨地磁坐标系和地理坐标系之间的换算关系，并分享对这两个坐标系的理解和观点。
1. 地磁坐标系（Geomagnetic Coordinate System）地磁坐标系是一种以地球磁场为基础的坐标系统，用于描述地球上的位置和方向。
它主要用于研究地球磁场、磁层物理、空间天气等领域。
地磁坐标系通常由地磁纬度、地磁经度和地磁高度三个参数表示。
地磁纬度（Geomagnetic Latitude）是指任意点在地磁赤道平面上的纬度角度，以地磁赤道为0度。
地磁经度（Geomagnetic Longitude）是指从地磁北极到该点的线与地磁子午面的夹角。
地磁高度（Geomagnetic Altitude）是指该点相对于地磁赤道的高度。
2. 地理坐标系（Geographic Coordinate System）地理坐标系是一种以地球自转轴和地球表面为基础的坐标系统，用于描述地球上的位置和方向。
它是一种经度-纬度坐标系统，可以精确定位地球表面上的任意一点。
地理坐标系通常由纬度、经度和海拔三个参数表示。
纬度（Latitude）是指地球上某一点与赤道之间的角度，以赤道为0度，北纬为正，南纬为负。
经度（Longitude）是指通过该点和地球自转轴的平面与原点经过的经线之间的夹角。
海拔（Elevation）是指该点相对于一个特定的参考面的高度，通常是相对于海平面的高度。
3. 地磁坐标系和地理坐标系的换算关系地磁坐标系和地理坐标系之间存在一定的换算关系，可以通过一些数学公式和转换参数实现坐标的互相转换。
地磁纬度和地理纬度之间的关系可以通过磁纬度修正公式计算得出。
地磁纬度修正公式考虑了地球自转和地磁场倾角的影响，可以将地理纬度转换为地磁纬度。
地磁经度和地理经度之间的关系可以通过磁经度修正公式计算得出。
地球磁场
五、地磁场的解析表示
假设：地球是均匀磁化球体，球体半径为R， N为地理北极，地球旋转轴与地磁轴重合。
若采用球坐标系，坐标原点为球心，球
外任一点P的地心距为r，余纬度为θ经度
为 。则在地磁场磁位u的拉普拉斯方程
可以写成如下形式
r 1 2 r(r2 U r) r2 s 1 in (s in U ) r2 s i1 n 2 2 U 2 0
Tsi =T0+Tm+Ta
T0为中心偶极子磁场，Tm为非偶极子磁场（也称为大陆磁场
或世界异常，基本磁场）， Ta 为地壳磁场。
T= T 0+ T m + T sc+ T 'a+ T ''a+ δ T
基本磁场占地磁场的99％以上，是构成地磁场主体的稳定磁场。 其强度在近地表时较强，远离地表时则逐渐减弱。 变化磁场占地磁场的很小部分（＜1％）。这种磁场主要是 由太阳辐射、太阳带电粒子流、太阳的黑子活动等因素所 引起的。因此，它常包含有日变化、年变化及太阳黑子活 动引起的磁暴（即较剧烈的变化）等成分。
r 1 2 r(r2 U r) r2 s 1 in (s in U ) r2 s i1 n 2 2 U 2 0
U n 1m n 0r1 n 1 [A n m c o s (m ) B n m s in (m )]P n m (c o s)
P nm (cos)C (m n (n m m )!)!(sin)md(co dsm )mP n(cos)
Declination Inclination
D 地磁要素及其分布
T、Z、H、I、D、
I
X、Y
T、Z、H、I
固有物理量
D、X、Y
地球磁场数据
地球磁场数据地球磁场是地球周围的一个磁场，它是由地球内部的液态外核产生的。
地球磁场对地球上的生命和地球环境起着至关重要的作用。
在本文中，我们将探讨地球磁场的一些基本概念和相关数据。
地球磁场是由地球内部的液态外核产生的。
外核是由铁和镍等金属组成的，其运动产生了电流，形成了磁场。
这个磁场通过地球的表面和大气层向外延伸，并保护地球上的生物免受太阳风的伤害。
地球磁场的强度可以通过地球磁场强度值来衡量。
地球磁场强度是指地球上某一点处地磁场的强度。
它通常用特斯拉（T）来表示。
地球磁场强度的大小与该地区地磁场的强弱有关，不同地区的地球磁场强度值可能会有所不同。
地球磁场的方向可以通过地球磁场倾角和地球磁场偏角来描述。
地球磁场倾角是指地磁场线与地球表面法线的夹角，它反映了地磁场线的倾斜程度。
地球磁场偏角是指地磁场线与地理子午线的夹角，它反映了地磁场线的偏离程度。
地球磁场的变化是一个复杂的过程，它受到地球内部的物理和化学过程的影响。
地球磁场的变化可以通过地球磁场强度的年变化来观测。
地球磁场强度的年变化是指地球磁场强度在一年内的变化趋势。
根据测量数据，地球磁场强度的年变化在不同地区可以有很大的差异。
地球磁场还受到太阳活动的影响。
太阳活动是指太阳表面的爆发和活动，如太阳黑子、耀斑等。
太阳活动会产生大量的带电粒子和高能辐射，这些粒子和辐射会与地球磁场相互作用，导致地球磁场发生变化。
地球磁场的变化对地球上的生物和环境有着重要的影响。
地球磁场对地球上的动物迁徙、导航和定位等行为起着关键作用。
同时，地球磁场还可以保护地球上的生物免受太阳风的伤害，维持地球的稳定。
总结一下，地球磁场是由地球内部的液态外核产生的，它对地球上的生命和环境有着重要的影响。
地球磁场强度、方向和变化是地球磁场的基本特征，它们可以通过地球磁场强度值、地球磁场倾角和地球磁场偏角来描述。
地球磁场的变化受到地球内部和太阳活动的影响。
地球磁场的研究对于理解地球的内部结构和地球环境的演化具有重要意义。
第一章-地球的磁场
总磁场
T= Ts+ δT
1、稳定磁场：Ts=Tsi（地球内部）+Tse （地球外部）
Tsi是地球内部稳定场，Tse是地球外部稳 定场
由于Tsi＞＞Tse，故Tse一般可忽略不计， 因此通常把稳定场看成由以下三部分组成
第一节 地磁要素及其分布特 征
一、地磁要素
从量的角度描述地磁场，
建立一个空间直角坐标 系统，定义磁力场的各 个要素，并用数学公式 表示各要素的换算关系。
坐标系建立：
设以观测点（O）为坐 标原点
X轴正向指地理北，Y轴 正向指东，Z轴正向垂直 向下。
观测点的地磁场矢量（T） 为任意方向，它在坐标系内 可分解为以下分量：
T0—地球中心偶极子场 Tm—大陆磁场（世界异常，为非偶极子场） T0 + Tm定义为地球的基本磁场 Ta—地壳磁场或异常场（磁异常）
Tsi= T0（偶极场） +Biblioteka Tm（大陆磁场）+ Ta（异常
3、基本磁场： T0（偶极子场） + Tm （大陆磁场）
由于T0 ﹥﹥ Tm，故 T0代表了地球磁场 空间分布的主要特征，世界地磁图就是以 此为依据制作的，此图反映了地球基本磁 场的分布。
1、直角坐标系有：x、y、z； 2、球坐标系有：H、D、I 3、柱坐标系有：z、H、D
已知其中一组，就可求出其它几 个分量
二、地磁场的结构和磁异常
（一）地磁场的结构(或组成)
地面观测点上地磁场T是各种不同成分磁 场的总和，即有地球内部来源，又有地球 外部来源。
按其来源和变化规律，可分为两大部分：
比如当研究大陆磁场Tm时，将其视为 磁异常，而叠加在大陆磁场上的其它磁 源场（主要是偶极场）就看成是正常场。
地球磁场及常用坐标教材
地心-太阳黄道坐标系（Geocentric Solar－Ecliptic coordinate）
该坐标系是又常称太阳黄道坐标系，简称 GSE 坐标系，以地心为原点的直 角坐标系。Xse 指向太阳，Zse 轴垂直于黄道面，Yse 轴与它们构成右手坐标系。
地 心 太 阳 磁 层 坐 标 系 （ Geocentric coordinates）
点，通过 A 点的实际磁力线（包括非偶极场）又与地面交于 Q点，Q的地理经 纬度即为 Q 点的订正偶极经纬度。
地磁场的构成
地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内部的内源场和 源于地球上空电流体系的外源场。 内源场是地球空间磁场的主要部分，称为主磁场，习惯上称 基本磁场，这部分磁场很稳定，只有缓慢的长期变化。
Sq 电流系在磁倾赤道（磁倾角为零）上空5最强，称作赤道电集流。 Sq 电流系存在明显的周日变化和季节变化，夏至最强，冬至最弱。 Sq 电
流系生成的磁场主要影响地面及其邻近高度磁场的分布。 在极区，电离层也存在一个电流系，称作是 Sqp 。 Sqp 电流系也由两个电 流涡旋组成。一个位于极区黎明部分，电流沿着顺时针方向流动；一个 位于极区黄昏部分，电流沿着逆时针方向流动。
该坐标系又叫“订正地磁坐标系”（Corrected GeoMagnetic coordinaies）， 是以实际地磁场来订正（或改进）的坐标系。在研究沿磁力线传播的现象时很 有用处。当用于研究极区现象时，地球表面任意一点的两个坐标是订正偶极经 度（corrected dipole longitude）和订正偶极纬度（corrected dipole latitude）。它们定义为：从地面一点 Q 出发的偶极子磁力线与赤道交于 A
Solar － Magnetospheric
科普地球的磁场了解地磁和指南针的原理
科普地球的磁场了解地磁和指南针的原理地球的磁场是指地球周围存在的一种磁力场，它起到保护地球大气层免受太阳风暴和宇宙射线的伤害，同时也是导航工具中指南针正常工作的基础。
本文将重点介绍地球的磁场以及地磁和指南针的原理。
一、地球的磁场地球的磁场是由地球内部产生的，其主要来源是地球内部的磁性物质，特别是外核中的液态铁镍合金。
地球内部核心处于高温高压的状态下，液态金属的运动产生了电流，形成了类似于螺线管一样的结构，产生了地磁场。
地球的磁场并非是完全均匀的，它在地球表面上形成了南北两极。
地球的南磁极实际上是地理北极，而地球的北磁极是地理南极。
这是因为磁场的天然性质决定了它们是相互吸引的。
由于地磁场的存在，指南针能够指示方向，导航工具也能够运作。
二、地磁和指南针的原理1. 地磁的测量地磁的测量可以通过磁力计进行。
磁力计的基本原理是利用磁铁或磁针在磁场中受力的性质来测量磁场的方向和强度。
在地磁场中，指南针就是一种简单而常见的磁力计。
2. 指南针的原理指南针是指示方向的仪器，它的工作原理基于磁针在地磁场中的运动。
指南针通常由一个磁化了的针状物体和一个能够自由转动的支架组成。
磁针的一端标有“N”代表北极，另一端标有“S”代表南极。
磁针在地磁场中会受到一个力矩，使得它倾向于指向地球磁场的南北方向。
这是因为磁场中的磁力线是从地球南极指向地球北极的。
磁针在地磁场中自由转动，当它达到平衡状态时，它的“N”端将指向地理北极，而“S”端指向地理南极。
通过使用指南针，人们可以确定自己所在位置的方向。
例如，当指南针的“N”端指向经纬度上的方向时，可以判断出自己正面朝向的是北方。
指南针在导航中起到了重要的作用，特别是在没有其他工具可用的情况下。
总结：地球的磁场是由地球内部液态金属运动产生的，它在地球表面形成了南北两极。
地磁场是指南针正常工作的基础，指南针利用磁针在地磁场中的运动来指示方向。
地磁和指南针的原理为我们在导航和定位上提供了重要的帮助。
地球磁场及常用坐标
订正偶极坐标系（ coordinates） 订正偶极坐标系（Corrected Dipole coordinates）
该坐标系又叫“订正地磁坐标系” coordinaies）， 该坐标系又叫“订正地磁坐标系”（Corrected GeoMagnetic coordinaies）， 是以实际地磁场来订正（或改进）的坐标系。 是以实际地磁场来订正（或改进）的坐标系。在研究沿磁力线传播的现象时很 有用处。当用于研究极区现象时， 有用处。当用于研究极区现象时，地球表面任意一点的两个坐标是订正偶极经 longitude）和订正偶极纬度（ 度（corrected dipole longitude）和订正偶极纬度（corrected dipole latitude）。它们定义为： latitude）。它们定义为：从地面一点 ）。它们定义为 Q 出发的偶极子磁力线与赤道交于 A
磁层电流系示意图
环电流 环电流是在地心距 3～7RE 的空间区域绕地球的由东朝西方向 流动的电流， 由地磁场捕获的低能质子维持。 环电流平静时位于 2.5～ 2.5～ 流动的电流， 由地磁场捕获的低能质子维持。 之间，磁暴时离地球稍远。 量级， 4RE 之间，磁暴时离地球稍远。磁平静时环电流总强度为 10 A 量级， 发生磁暴和亚暴时可增强几倍 发生磁暴和亚暴时可增强几倍。 磁暴和亚暴时可增强几倍。 部分环电流 部分环电流是亚暴期间从等离子体片注入到辐射带的 粒子漂移所形成。它产生了地面磁场变化的不对称性。 粒子漂移所形成。它产生了地面磁场变化的不对称性。 场向电流是在极光椭圆区沿磁力线流动的电流片 场向电 极光椭圆区沿磁力线流动的电流片。 场向电流 场向电流是在极光椭圆区沿磁力线流动的电流片。 流总体分为两区， 极侧称为 I 区电流， 区电流， 基本流向是在晨侧流入电离层， 流总体分为两区， 基本流向是在晨侧流入电离层， 昏侧流出电离层； 区电流， 区相反。 昏侧流出电离层；靠赤道一侧称 II 区电流，其流向与 I 区相反。场 向电流密度有明显的日变化。大部分时间内， 向电流密度有明显的日变化。大部分时间内，I 区场向电流比 II 区 电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。 大。电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。
地磁坐标系和地理坐标系换算关系
地磁坐标系和地理坐标系换算关系地磁坐标系和地理坐标系是地球表面上两种常用的坐标系。
地磁坐标系是指以地球磁场作为基准的坐标系，地理坐标系是指以地球自转轴和赤道面为基准的坐标系。
地磁坐标系主要用于研究地球磁场和太阳风相互作用产生的磁暴等现象。
而地理坐标系则广泛用于地图制作、导航等领域。
两种坐标系之间的换算关系十分重要，它们的互相转化将使得研究和实践得到更加准确和全面的结果。
地磁坐标系和地理坐标系的换算关系比较复杂，需要考虑地球本身的旋转、地球磁极的运动等因素。
根据国际标准，地磁坐标系和地理坐标系之间的换算关系可粗略地分为两步。
第一步是将地理坐标系中的经纬度转化为地心坐标系中的直角坐标（X,Y,Z）坐标。
这一步需要考虑地球形状、自转轴的位置、国际1976年大地基准等因素。
其中，X轴指向本初子午线与赤道面的交点，Y轴在赤道面内且与X轴垂直，Z轴与自转轴重合。
将地理坐标系中的经纬度转化为X、Y、Z坐标的具体计算方法可以使用WGS-84椭球体参数、大地高等数学公式等。
第二步是将地心坐标系中的（X,Y,Z）坐标转化为地磁坐标系中的（X,Y,Z）坐标。
这一步需要考虑地球磁场的强度和磁场方向等因素。
在实际计算中，可以使用国际地磁参考场模型等工具进行计算。
需要注意的是，由于地球磁场的变化以及地球自转轴位置的改变等原因，地磁坐标系和地理坐标系之间的换算关系是动态的，需要随时进行修正。
因此，在具体计算时，应根据时效性和精度要求来选择合适的地球椭球体参数和地磁参考场模型等参数。
地磁坐标系和地理坐标系涉及到多个学科领域知识的综合应用，在地球物理、地图制作、导航等领域有着重要的应用价值。
通过深入研究和不断探索，我们可以更好地理解和应用这两种坐标系，为人类的科学进步和实际应用提供有力支持。
地球物理学中的磁场分析
地球物理学中的磁场分析地球是一个强大的磁体，它产生了一个庞大的磁场，在地球空间环境和地球物理探测等领域具有重要的应用。
地球磁场有两个部分：地磁场和非地磁场。
地磁场是地球内部产生的，非地磁场是地球受到外界影响而产生的。
磁场是一种特殊的力场，同样具有大小和方向之分。
在地球物理学中，使用磁场的强度和方向作为研究的基本数据，可以帮助我们了解地球内部结构、地震活动、天气预报、导航等方面。
为了更好地理解地磁场的特征，研究人员通常使用地磁场的密度场和磁力线来描述。
密度场描述了互相垂直的两个场矢量的关系，而磁力线则描述了磁场的方向。
地磁场的密度场和磁力线分别可以通过磁力计和磁力仪来测量，这些仪器可以检测到磁场强度的变化以及电流对磁场的影响。
通过这些测量数据，我们就可以了解地球中的磁场强度和结构。
磁场的测量可以使用多种方法。
地磁场的测量可以使用地磁观测仪，通过对磁场进行长时间监测，可以更精确地了解磁场的变化。
此外，地震仪和重力仪也可以用于磁场测量，这些仪器可以检测到地球内部结构和磁场的变化。
水下的磁力计和地磁计可以用于对海底磁场的监测，这些测量也能告诉我们地球形成和演化过程中的一些信息。
通过研究地球磁场和磁场测量数据，我们可以了解到地球内部的结构和演化。
例如，地震前地磁场的变化，可能是地震前兆之一。
此外，磁场还可以用于地图制作、导航和航海。
当然，地球磁场还对太阳活动的影响起作用，例如地球磁场可以在太阳的辐射中产生屏障，从而保护地球不受到严重的太阳辐射和风暴的影响。
综上所述，磁场是地球物理学中非常重要的一项数据。
地球内部的磁场影响了我们生活中的很多方面，磁场的测量和分析也是地球物理学的重要研究领域。
虽然我们还有很多问题需要解决，但是随着我们对磁场的深入了解和技术的发展，我们定能更好地理解和应用地球磁场。
地球磁场及常用坐标解读
偶极坐标系（Dipole coordinates）
它是以地心为原点的球面极坐标系，以过地球中心的偶极轴为极轴，与地球自旋轴的夹角 为 11.2。有时把偶极坐标系也称为地磁坐标系。该坐标系涉及到的一些概念定义如下： 偶极赤道：与中心偶极子垂直的大圆； 偶极子午面：通过偶极子两极的大圆； 偶极经度h：过地球表面一点的偶极子午面与过地理极的偶极子午面之间的夹角； 偶极纬度m：该点与地心连线与偶极赤道的夹角； 偶极地方时：地面一点的偶极经度与当时日下点的偶极经度，单位为小时； 偶极正午：与日下点偶极经度相同，该点此刻为偶极正午； 偶极子夜：与日下点的偶极经度相差 180。 由于这一坐标系是以地磁场为基础的坐标系，所以地磁坐标常专指偶极坐标系，偶极经 度、偶极纬度、偶极赤道、偶极时又称地磁经度、地磁纬度、地磁赤道和磁地方时。
地磁场方向角的单位是度分秒；国际通用的磁通量密度单位是 nT，更经常用 表示，有时也用高斯作单位。单位间的关系是： 1T(tesla) = 10 nT = 10 gauss， 1nT = 1 = 10 gauss。
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地表上地磁场大小，在磁赤道约为 310 nT 的量级;在磁极处，
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磁层电流系示意图
环电流 环电流是在地心距 3～7RE 的空间区域绕地球的由东朝西方向 流动的电流， 由地磁场捕获的低能质子维持。 环电流平静时位于 2.5～ 4RE 之间，磁暴时离地球稍远。磁平静时环电流总强度为 10 A 量级， 发生磁暴和亚暴时可增强几倍。 部分环电流 部分环电流是亚暴期间从等离子体片注入到辐射带的 粒子漂移所形成。它产生了地面磁场变化的不对称性。 场向电流 场向电流是在极光椭圆区沿磁力线流动的电流片。 场向电 流总体分为两区， 极侧称为 I 区电流， 基本流向是在晨侧流入电离层， 昏侧流出电离层；靠赤道一侧称 II 区电流，其流向与 I 区相反。场 向电流密度有明显的日变化。大部分时间内，I 区场向电流比 II 区 大。电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。
磁力计的三轴方向
磁力计的三轴方向
磁力计的三轴方向是根据磁场方向来确定的。
在地理坐标系中，通常采用三个相互垂直的坐标轴来表示磁场方向，分别为X轴、Y轴和Z轴。
具体来说，X轴表示磁场方向与地球赤道平面的夹角，Y轴表示磁场方向与地球表面东西方向的夹角，Z轴则表示磁场方向与地球表面南北方向的夹角。
通过测量这三个方向的磁场强度，可以确定磁力计的方向和位置。
在实际应用中，磁力计的三轴方向可能会因为设备的安装和放置而发生变化，因此需要进行校准和标定，以确保测量结果的准确性和可靠性。
同时，由于磁场干扰和磁偏角的存在，磁力计的测量结果可能会受到一定的影响，需要进行误差修正和数据处理，以提高测量精度。
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地心-太阳黄道坐标系（Geocentric Solar－Ecliptic coordinate）
该坐标系是又常称太阳黄道坐标系，简称 GSE 坐标系，以地心为原点的直 角坐标系。Xse 指向太阳，Zse 轴垂直于黄道面，Yse 轴与它们构成右手坐标系。
地 心 太 阳 磁 层 坐 标 系 （ Geocentric coordinates）
Solar － Magnetospheric
该坐标系是又常称为太阳磁层坐标系，简称 GSM 坐标系，以地心为原点的 直角坐标系， Xsm 轴指向太阳， Zsm 轴在 Xsm 轴与地球磁偶极轴确定的平面内，与 兄。轴垂直，Ysm 轴与兄。轴和 Zsm 轴构成右手坐标系。
订正偶极坐标系（Corrected Dipole coordinates）
约为 610 nT 的量级。
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武汉地磁各地磁要素如下：
地磁总强度：49316.5nT; 磁偏角：-3.73; 磁倾角：45.98; 北向分量：34200.2nT; 东向分量：2227.9nT; 垂直分量：35461.3nT; 水平分量 34272.7nT。
常用坐标系
地理坐标系（Geographical coordinates）
外源场主要是变化磁场，包括宁静变化场和扰动变化场。 外源 按照电磁场理论， H=J ，电流可以产生磁场。 地球空间的某些区域存在空间电流系， 地球外源场主要由这些空 间电流系产生。 空间电流系包括磁层电流和电离层电流。 它引起 地磁场的短期扰动变化。 地磁场最快的周期性变化是地磁脉动， 变化周期最高可达到几十 Hz，规则变化有周日变化、季节变化以及与太阳 11 年活动周期 有关的长期变化等。 扰动变化有磁暴、磁亚暴和其它与太阳风有关的不规则起伏。
该坐标系又叫“订正地磁坐标系”（Corrected GeoMagnetic coordinaies）， 是以实际地磁场来订正（或改进）的坐标系。在研究沿磁力线传播的现象时很 有用处。当用于研究极区现象时，地球表面任意一点的两个坐标是订正偶极经 度（corrected dipole longitude）和订正偶极纬度（corrected dipole latitude）。它们定义为：从地面一点 Q 出发的偶极子磁力线与赤道交于 A
点，通过 A 点的实际磁力线（包括非偶极场）又与地面交于 Q点，Q的地理经 纬度即为 Q 点的订正偶极经纬度。
地磁场的构成
地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内部的内源场和 源于地球上空电流体系的外源场。 内源场是地球空间磁场的主要部分，称为主磁场，习惯上称 基本磁场，这部分磁场很稳定，只有缓慢的长期变化。
地磁场方向角的单位是度分秒；国际通用的磁通量密度单位是 nT，更经常用 表示，有时也用高斯作单位。单位间的关系是： 1T(tesla) = 10 nT = 10 gauss， 1nT = 1 = 10 gauss。
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地表上地磁场大小，在磁赤道约为 310 nT 的量级;在磁极处，
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该坐标系是相对地球固定的坐标系，原点在地心，坐标 r，，分别是地心距、余纬（由 地理北极起算）和经度（从格林尼治子午线起算，向东为正，经度超过 180“为西经），有时 以赤道为纬度 0，向南北与赤道面夹角分别为南北纬，向北为正，向南为负。
偶极坐标系（Dipole coordinates）
它是以地心为原点的球面极坐标系，以过地球中心的偶极轴为极轴，与地球自旋轴的夹角 为 11.2。有时把偶极坐标系也称为地磁坐标系。该坐标系涉及到的一些概念定义如下： 偶极赤道：与中心偶极子垂直的大圆； 偶极子午面：通过偶极子两极的大圆； 偶极经度h：过地球表面一点的偶极子午面与过地理极的偶极子午面之间的夹角； 偶极纬度m：该点与地心连线与偶极赤道的夹角； 偶极地方时：地面一点的偶极经度与当时日下点的偶极经度，单位为小时； 偶极正午：与日下点偶极经度相同，该点此刻为偶极正午； 偶极子夜：与日下点的偶极经度相差 180。 由于这一坐标系是以地磁场为基础的坐标系，所以地磁坐标常专指偶极坐标系，偶极经 度、偶极纬度、偶极赤道、偶极时又称地磁经度、地磁纬度、地磁赤道和磁地方时。
内源
目前认为，地球基本磁场起源于地球内部，内源场主要由地 球内部熔化了的金属核流动引起。这种流体运动，随时间有 很缓慢的变化，从而引起主磁场的长期变化。液体金属核的 涡旋运动产生大尺度的磁异常，也叫世界磁异常；地壳内的 磁性物质的复杂分布产生了尺度较小的局部磁异常。
地球表面地磁总强度等值线图(1995 年)。等值线单位：nT。 图中左上角和右下角的两个极大代表南北半球地磁极所在区域。 南美洲东海岸 及其附近海域的极小，通常称作南大西洋磁异常；东西伯利亚的极大曾经被认 为是另一个磁极，实际上是大陆磁异常。
一、地球空间磁场表述
描述地磁场的参量共有 7 个，它们是：总强度、水平分量、垂直分量、倾角、 偏角、东向分量、北向分量。这 7 个参量只有 3 个是独立的。 地球空间磁场是一个矢量场， 确定空间任一点 P 的磁场所需要的 3 个独立分 量，称为地磁要素。源自各地磁要素之间的关系如下：
F2 X2 Y 2 Z2 H2 X2 Y 2 Y H sin D Z H tan I tan I Z / H tan D Y / X
空间电流系
磁层顶电流 磁层顶电流是太阳风与地球磁场作用形成的 电流片。 位于磁层磁场与行星际磁场的交界区域， 即磁层的 外边界。在向日的一侧，磁层顶电流向东流动，即沿晨-昏 方向横越磁层的日下点。 电流强度的变化依赖行星际磁场的 方向和强度。 磁尾电流 磁尾中性片电流由等离子体片粒子的定向运动 形成。 磁尾中性片把磁尾分成磁场方向相反的两瓣。 宁静时 电流密度约 5～50 nA· m-2。电流指向西，即由晨侧越过磁尾 流向昏侧，在磁层顶的尾部与磁层顶电流形成回路。
磁层电流系示意图
环电流 环电流是在地心距 3～7RE 的空间区域绕地球的由东朝西方向 流动的电流， 由地磁场捕获的低能质子维持。 环电流平静时位于 2.5～ 4RE 之间，磁暴时离地球稍远。磁平静时环电流总强度为 10 A 量级， 发生磁暴和亚暴时可增强几倍。 部分环电流 部分环电流是亚暴期间从等离子体片注入到辐射带的 粒子漂移所形成。它产生了地面磁场变化的不对称性。 场向电流 场向电流是在极光椭圆区沿磁力线流动的电流片。 场向电 流总体分为两区， 极侧称为 I 区电流， 基本流向是在晨侧流入电离层， 昏侧流出电离层；靠赤道一侧称 II 区电流，其流向与 I 区相反。场 向电流密度有明显的日变化。大部分时间内，I 区场向电流比 II 区 大。电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。