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戎昭金等-JGR:行星偶极磁场分析新方法
2021-11-19 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  众所周知,地球具有全球性的偶极磁场。 地球偶极磁场起源于内部发电机,向外延展到太空,与外部太阳风等离子体发生相互作用,形成磁层空间。地球全球偶极磁场能有效屏蔽太阳风的高能带电粒子轰击,使得磁层犹如一个保护罩庇护了地球的大气圈、水圈、生物圈等(见图1)。 

1 太阳风与地磁场及地核发电机的三者相互作用的关系示意图

  人们对地磁场的认识已有上千年的历史,但直到1838年著名数学家高斯将球谐分析理论引入研究地磁场才算是真正开启现代地磁学的研究序幕。球谐分析的基本思想是将地球磁场展开为具有不同阶次的连带勒让德函数的级数叠加,并通过地表地磁台站的磁场观测(边界条件),求得不同阶次连带勒让德函数对应的系数(高斯系数)。球谐分析理论自1838年提出以后,近两百年来一直都是现代地磁学研究的主流分析方法。 

  然而,另有一些科学家对球谐分析方法的缺点提出质疑:(1)球谐分析得到的地磁场模型仅仅是数学形式上的展开,并不能直接反映内部磁源的信息;(2 球谐分析没法直接应用到飞船或卫星探测上,因为飞船/卫星路径不断变化,这使得直接求出的球谐系数相互之间是存在相关的;(3)球谐分析对于含有空间电流(如磁层电流、电离层电流)的区域并不适用。其中,第23点对于太阳系其它行星,如水星、木星的磁场分析带来了很大困难,因为行星的磁场主要是依赖于飞船的空间测量。 

  基于此,不少研究学者提出,可用磁偶极子或电流环模型来拟合地磁场的分布,并探求对应内部磁源的物理信息。在此基础上,人们发展了各种各样的磁偶极子或电流环模型。 然而,人们对电流环模型或磁偶极子模型(电流环半径为零的情形)的拟合通常都是采用多参量来作最小二乘拟合。这就会遇到一个非常严重的困境——多参量同时拟合得到的最优值严重依赖于初始值的选取。从不同的初始值出发, 最后得到的拟合结果是不同的。所以,电流环拟合尽管提出了50多年,但这条路后来并没有什么实质性进展。 

  鉴于此,中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理实验室戎昭金研究员及其合作者魏勇、徐文耀、朱日祥等,为一般性研究行星偶极磁场的大尺度结构物理信息,基于电流环模型拟合行星偶极磁场,发展出了一种全新的电流环模型参数的计算方法。根据偶极磁场的几何结构特征,该方法有效地将电流环的多参数(7个参数:环心三个参数,轴向两个参数,半径一个参数,电流一个参数)进行剥离并逐级求解(算法见图2)。该方法适用于任意磁场矢量的采样数据集。 

2 (a)黑实线为真实偶极磁场,蓝虚线为试验的电流环磁场;(b)最佳轴向会使得试验电流环磁场投影最接近径向; c)最佳环心位置会使得二者的磁场方向偏差达到极小

  该模型算法的测试及对地磁场的应用(IGRF地磁模型及Swarm卫星在轨磁场数据)表明该方法算法非常稳定,得到唯一得到偶极磁场的最佳电流环模型参数。且所得结果与传统球谐方法结果一致吻合,并且发现当前地球等效电流环半径约为700多公里,这表明地球内核发电机电流可能相对集中在内核高纬。 

  该方法可望配合球谐分析法,进一步推广到地磁场、行星磁场、古地磁等领域广泛使用,并能体现出一定优势: 

  (1)该方法仅依赖磁场方向就能求出磁轴轴向,该方法对于任意环向对称的磁源,如盘状、环状、壳状、球状等电流体系均适用; 

  (2)该电流环方法可进一步推广到球面模型,也可简化为磁偶极子模型(环半径为零); 

  (3)该方法可用来有效判断探测到的磁场是否符合偶极磁场; 

  (4)该方法可进一步拓展为多环模型,进而研究行星磁异常的分布变化; 

  (5)该方法可应用研究地磁场和行星磁场的长期变化。

  研究成果发表于国际学术期刊JGR-Solid Earth (戎昭金*魏勇, Lucy Klinger, M. Yamauchi,徐文耀孔大力,崔峻, 沈超, 杨艳艳, 朱日祥钟俊柴立晖A New Technique to Diagnose the Geomagnetic Field Based on a Single Circular Current Loop Model [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126: e2021JB022778. DOI: 10.1029/2021JB022778。该成果受到国家自然科学基金项目(4177418841922031)、所重点部署项目(IGGCAS-201904)等资助。
 
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