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目 录

1.背景介绍 3

1.1地磁场 3

1.2地磁场中心偶极矩 3

1.3地磁场总强度F及其要素X、Y、Z、H的强度 3

1.4 研究现状 3

1.6实行方案 5

2.1 数据 5

2.2 IGRF模型 5

2.3地磁中心偶极矩公式 5

2.4地磁总强度及其要素公式 6

2.5皮尔逊相关系数方法 7

3.1地磁中心偶极矩的长期变化 8

3.2不同区域地磁总强度及其要素强度的长期变化 8

3.3点（-90,45）处地磁总强度及其要素强度变化与中心偶极矩变化的对比： 12

4.结论与展望 14

参考文献 16

致谢 18

基于IGRF12模型的地磁场中心偶极矩变化研究

徐静静

，China

Abstract: According to the latest global geomagnetic model,IGRF12, we researched change of dipole moment of geomagnetic field, which is compared with the total intensity of geomagnetic field (F) and that of element X, Y ,Z ,H from 1900 to 2015, then we compared it with the intensity of main field of the earth. We also analyzed formula of dipole moment based on IGRF12, we calculated dipole moment values and plotted figures in every five years through MATLAB. Results show that dipole moment continued to decline in past 155 years, it declined by 0.02% from 1940 to 1955 and declined 0.08% from 1960 to 1975. During the entire research period, the dipole moment have dropped by 7.156%, with a total amount of 0.075×10-24Am2, the change of intensity of geomagnetic field is similar, this shows a process of continuing decline. Finally we found that the change trend of F on（-90,45）and the Z is highly consistent with the dipole moment（cor(,)=0.9800、cor(,)=0.9823）.

Key words: geomagnetic secular change, central dipole moment, IGRF12, total intensity of geomagnetic field.

1.背景介绍

1.1地磁场

地磁场指散布在整个地球周围所有的场源所产生的磁场，分为基本磁场和变化磁场，地磁场的单位为nT (nanotesla)，1nT=10^-9T。基本磁场占地磁场的99％，相对来说比较稳定,变化的时间尺度也相对比较大。变化磁场指磁场的外源部分，仅占地磁场的1％，其包含电离层磁场、磁层磁场及它们的感应磁场，在短时间内会发生剧烈变化。把地磁场近似看成偶极子磁场，在地理南极和地理北极附近分别有磁北极和磁南极。

1.2地磁场中心偶极矩

非偶极子磁场和偶极子磁场的总和即为地球的主磁场，其中偶极子磁场占比较高，据了解偶极子磁场所对应的高斯系数分别是、、，其中为地心轴向偶极矩系数，、 为赤道平面地心偶极矩系数。地磁场中心偶极矩的变化是地磁场长期变化（即地磁场中各种要素年均值的逐年改变）中的一部分，基于实测数据的不确定性，随着年份的改变，高斯系数也会有所改变。因此，假设偶极子磁场满足线性变换，运用不同年份的球谐系数便能探究中心偶极矩的长久变化。

地磁偶极矩变化是地磁学中的热点问题之一，本篇基于最新的第十二代国际参考场模型（IGRF12）的球谐系数，运用MATLAB编程计算1900—2015年之间每五年为间隔的中心偶极矩值，并通过绘制图形分析变化趋势。

1.3地磁场总强度F及其要素X、Y、Z、H的强度

由于中心偶极矩和地磁总强度F都是基于相同的偶极子系数得到的，所以就建模数据而言是类似的，基于其相似性，本篇论文就从中心偶极矩、地磁场总强度F以及其北向要素X、东向要素Y、垂直要素Z、水平要素H的强度着手，对比1900—2015年之间的变化趋势。

1.4 研究现状

400年前， Brown^[1]最早发现了地磁场随时间的变化。1693年， Halley^[2]发现地磁场的分布有缓慢向西移动的痕迹。行武毅^[3]基于地磁场在1806年、1857年和1900年系数的研究，认为地磁场长期变化的重要特点是地磁西漂。王亶文^[4]等人在行武毅模型的基础上，加上随时间变化的成分因素，根据不同参考场的高斯系数，分析非偶极子磁场，认为地磁变化场有漂移场和固定场两部分，除了部分地区地磁场的异常变化， 20世纪地磁场的变化是相对稳定的。徐文耀^[5]等人利用IGRF8，详细分析了主磁场的变化以及空间结构，证明其不同区域的不同特征。

关于中心偶极矩研究进展，地磁场变化的特点之一为偶极子磁场的变化，其约占地磁场总体的85%。王月华^[6]等人基于IGRF8了研究1945－1995地磁场中心偶极矩的变化，地磁场总强度F、要素X、Y、Z的空间功率谱，认为最近50年偶极矩在继续衰减。康国发^[7]等人依据Thompson模型和IGRF8研究1600-2000年期间的各类影响主磁场变化的因素，认为磁偶极子场的强度一直在减弱（约17％），而非偶极子磁场却在持续增长。2002年康国发^[8]等人进行了类似的主磁场研究，进一步证明地磁偶极矩最近400年来持续减小。王亶文^[9] 等人在2005年利用IGRF9研究了1900—2000年的地磁场，发现从19世纪至今，地球的偶极矩产生相当大的改变，偶极距是在单调减弱的。2006年，李伟^[10]等人参考地磁场模型资料，探究过去2000年地磁偶极矩的长期变化，认为偶极矩不总是在减小。2007年郭凤霞^[11]等人运用IGRF9模型，研究了在地球不同深度处地磁场分布情况及其长时间变化，得出地磁场西漂、倒转是偶极场和非偶极场共同作用结果。2014年。曾凌云^[12]等人利用IGRF11分析了1980—2010年的主磁场的长期变化特征，包含了偶极子磁场变化，认为各地区西漂现象依旧存在， 而东亚地区存在东漂。Korte^[13]等人根据最近公布的过去7000年的全球模型，研究是否这三个偶极矩为是等价的，并比较之前的全球虚拟轴向偶极矩研究和最近的全球模型偶极矩的结果。认为虚偶极矩（VDM）和虚拟轴向偶极矩（VADM）在百年和千年时间尺度的平均结果超过真正的偶极矩约19%。偶极子场的下降是一个已经持续了将近1700年过程。全球的球谐磁场模型比如GUFM，从400年前首次直接观测，到1990的整个时间跨度，表明地球的偶极矩自从1839年Gauss首次分析以来，已经下降了近10%。古地磁强度的结果已被用于确定早期而不是近几年的偶极矩的变化。然而这些结果与假设“磁场源于地心偶极子或一个地心轴向偶极子产生的真实偶极矩”相似。不同部分的非偶极子场显著不同，几百年来的全球平均结果通常假定是受平均非偶极场的影响。Genevey^[14]等出于全球领域建模的目的，编译和估算了过去10000年全球强度数据集并研究虚拟轴向偶极矩结果。认为不同的结果对于时间重叠部分的一致性较好，但彼此间却存在明显差异并基于考古和古地磁数据（包含所汇编的的绝对强度数据）建立了首个连续的全球球谐模型。2015年最新发布的IGRF12^[15]，本篇及基于IGRF12对地磁场中心偶极矩进行研究，并分析其与地磁总场强F的相关性。

1.5研究内容

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