用高斯球谐分析模型进行地磁正常场梯度改正

用高斯球谐分析模型进行地磁正常场梯度改正

地磁场是随空间和时间变化的复杂的函数。它的场源有来自地球内部的稳定部分,也有来自天外的瞬时变化。除非发生磁暴,通常情况下,地球内部的稳定磁场占地磁总场99%以上。因此研究地球内部的稳定磁场是地球物理工作者的永恒主题。

地球磁偶极子场

1839年,C.F. 高斯将球谐函数分析方法应用于地球磁场,后经发展和完善得出了地磁场的数学表达式——这就是关于地磁场的高斯理论。该理论不仅描述了地磁场随空间位置而变化,而且也随时间的推移发生缓慢变化。

地磁场的高斯球谐分析表达式:设地球为均匀磁化球体,则有

= (1)

= (2)

=- (3)

式中:X、Y、和Z分别是地磁场的北向(地理北)分量、东向(地理东)分量和垂直分量;、表示高斯n阶m次球谐系数,是长期变化的参量;为n阶m次缔合勒让德多项式;R是地球的平均半径(6371.2km),r为球外任意观测点到球心的距离,为观测点的余纬度,为观测点的经度。

国际地磁参考场模型(IGRF)

为了在全球范围内统一地磁测量标准,国际地磁和高空物理协会在1968年召开的“地球基本磁场的描述”的会议上,通过了1965.0年国际地磁参考场模型,作为(1965-1970)全世界通用的正常地磁场的标准(IGRF)——该标准就是高斯球谐分析模型。即国际地磁参考场模型由一组高斯球谐系数(,)和年变率系数组成,为地球基本磁场和长期变化场相叠加的无穷级数;但该模型在实际计算中求和阶次n不会取无穷大,按规定只取到10就可以了,并由该组织每五年改变一次模型,更新一次高斯系数计算结果向全球发布,并自该系数发表的当年至以后五年内有效。

高斯球谐表达式的特点:

1 采用星球坐标系统。设地心为坐标原点,观测点(或计算点)的坐标为(r,,),各参数的意义同上。

2 地面或空间测量的数值是磁感应强度的绝对值,而不是磁场强度的绝对值。因此单位用特斯拉(T)或它的分数纳特(nT)。

3 高斯球谐分析模型是一个收敛的球谐级数,每一项都有其物理意义。当n=1时,表示地磁场是磁偶极子场,其磁场强度可占到总磁场强度的80%-90%。当n2时,为非磁偶极子场。

怎样进行正常场梯度改正

在进行大范围的航空磁测或高精度地面磁测时,需要对所观测的磁场值进行正常场梯度改正。为了满足对精度的要求,要用国际地磁参考场(IGRF)模型即高斯球谐分析模型进行计算,分三步进行:

1 第一步,求高斯系数和。选取有代表性的点测量X、Y和Z的值,然后将这些场值归算到某一特定日期(国际上通常选在一月一日零点零分),并连同坐标( r,,)分别代入(1),(2)和(3)式,获得一系列关于球谐系数的方程。设N为n的最大取值,则系数的总个数为N(N+2),建立不少于 N (N+2)个方程,用最小二乘法即求出和。

实际工作中,可直接利用国际地磁和高空物理协会定期发布的高斯系数。

2 第二步,将高斯系数和各节点的坐标值代入公式(1),(2)和(3)进行计算。即可求出地面或空间任意一点的地磁要素值X、Y和Z。并由以下各式求出其他地磁要素值。

T= , H= , D=arctan, I=arctan

式中:X、Y和 Z的意义同上,H是地磁场的水平分量,T是地磁场总强度,D是磁偏角,I是磁倾角。

3 用计算机按照一定的测网(比如1km1km)算出测区内所有的节点的地磁场总强度T,然后以1nT为间距,绘制T的等值线图,并将通过总基点的等值线作为零线即可进行正常场改正。

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