[科普中国]-国际地磁参考场

国际地磁参考场（international geomagnetic reference field）：为了对基本磁场的高斯系数给出一个全世界通用的标准，从1968年开始，国际地磁和高空大气物理协会（IAGA）相继讨论和通过了几个不同年代的基本磁场模型，共发布了11 代IGRF， 其精度不断提高，适用的时间范围也逐渐延伸。IGRF模型广泛应用于科研、生产、通讯和航天等领域，在地磁测量中可利用其完成对测量值的预估与比对、正常梯度改正等工作。1

简介国际地磁参考场模型（IGRF）是一个数字化的模型，用来计算1900年到现在的地球主磁场即地核磁场。它是由国际地磁与高空物理学协会（IAGA）的V-MOD工作组支持和赞助下的地磁模型团队建立和维护的。1968年，IAGA正式给出了1965年的国际地磁参考场，而现在最新的是第11代国际地磁参考场模型（IGRF11），以后每5年更新一次，主要是更新其中的高斯系数。这是由于地磁场具有长期变化的特点，所以在一个模型提出来以后，每经过五年又要根据新的资料对它进行一定的修正，以提高这些参考资料的精确度。1

误差分析系数的误差导致了模型的误差，因为在求解系数过程中，所用的数据大部分只经过简单的均方根处理。由于地磁场随时间的变化而改变，在建模过程中，我们使用了卫星测量的覆盖全球的矢量数据，这部分数据是相当精确的，但其它时间段数据则是通过地磁台站或者其它方式得到的，然后经过估计得到长期变化情况。由于地磁台站测得的数据覆盖面积有限，所测数据并不能表征全球各个区域的地磁场随时间的变化情况，因此，建模本身就是一个误差来源，而估计模型的精度更是极其困难。经过大量的数据统计，得到如下误差范围作为参考：

（1）主磁场误差来源：①1900—1940年模型给出的精度是50nT，根据候选模型的数据和经验推断，精度在100nT左右更为合适；②1945—1960年，误差在1945年的300nT；到1960年的100nT之间；③1965—1995年，误差在50nT更为合理；④2000年以后，由于卫星数据的应用，误差在2000年的10nT到2005年的5nT之间；⑤ 最近时间的误差，由于卫星数据质量的降低，建议误差在10nT左右。

（2）长期变化磁场误差来源：通过5年的时间估计长期变化磁场的年变化率是很不准确的，而且这种变化并不呈线性增长，在1年中各个月份的变化也有很大差异．因此，采用:线性的年变化率20nT/a是及其错误的，这无疑增加了模型的误差。

（3）数据处理等人为因素引起的误差。

（4）地壳异常场引起的误差：IGRF11模型反映的是地球主磁场的模型，即地核磁场，并没有包括地壳异常场，例如地球表面的地质特征（山脉、海洋、矿物质等）引起的短波长的磁场大约为200—300nT。

（5）观测数据本身的误差；① 人类活动的影响（交通、直流高压输电线路等），使得在测量时数据并没有反映地磁场的真实情况；② 自然条件的影响（太阳磁暴、静日变化等），一天内数值变化在20nT左右，而磁暴时可达到1000nT。1

作用自从高斯(Gauss) 把球谐分析方法引进地磁学中，建立地磁场的数学描述以来，地磁学得到了极大的发展。1965 年卡安等(J. Cain etal. ) 研究了全球地磁资料的高斯分析，得出全球地磁场模型。其后，IAGA 有一个专门小组在进行以5 年为间隔的国际地磁参考场( IGRF)研究。地磁场起源是爱因斯坦提出的世界性的科学难题之一。IGRF 的研究与制作， 使得全面研究地磁场长期变化成为可能。长期变化的研究结果又是研究深部电导率的基础，是估计液核磁流体特征速度的根据，进而使地磁场起源中最有希望的发电机理论得到较大发展。

我国学者利用IGRF 对地磁场做了许多基础研究工作。

对地磁场模型的研究日本学者Yuku take (1969) 提出了一个地磁场模型， 认为地磁场由固定与漂移两部分组成。但该模型的长期变化磁场不西向漂移，这与观测场的情况不符合。为此，我们在西向漂移部分的幅度加上一随时间变化的成分， 在修改Yuku take 模型的基础上，利用1600 年以来的10 多个参考场的高斯系数研究了地球非偶极子磁场模型，提出地磁长期变化场亦存在固定和漂移两部分； 较成功地拟合了1600 年至今的地磁场观测值， 并用它先后较好地解释了东亚磁异常的兴起和太平洋中部异常的衰减乃至消失的全过程，证明了太平洋中部的非偶极子场异常微弱只是暂时现象。

吴文京(1983) 从高斯分析是“三维问题”出发， 研究了高斯分析由于测点离散化而产生的一系列理论问题。王锡硕和祁贵仲(1983) 对Yuku take 模型的源场性质进行研究，用地核内电流体系模拟了它的源。

徐文耀(1998) 利用1900～ 2000 年国际地磁参考场模型，对地球主磁场的空间结构和长期变化进行了自然正交分量分析，得到了组成地磁场的主要成分(本征模) 及其随时间的长期变化(SV )，得出如下结果：第一本征模描述主磁场稳定结构的总体特征，其强度随时间单调减小；第二本征模主要描述印度洋和南大西洋地区正异常特征，其强度也随时间单调变化；第三本征模对应于加勒比地区正异常，其强度呈100 a 周期的变化，目前正处于下降阶段；第四本征模的主要特点是北美正异常和南亚负异常， 其强度呈80 a 周期的变化；第五本征模对应尺度较小的局部磁异常，其强度的变化周期约60 a；第六及其以后的本征模则对应空间尺度更小和时间变化更快的磁异常。分析表明，太平洋地区的磁场经历着缓慢的单调减小变化，其结构比较稳定，几乎完全包括在第一本征模中。但是，印度洋磁场结构较复杂， 它是由空间结构不同和变化周期各异的多个本征模组成的。大西洋的北部、中部和南部分属不同本征模，它们有完全不同的时间变化特性。

对地磁长期变化的研究在对地磁长期变化的研究中，重磁关系问题也曾引起大家的兴趣。核幔电磁耦合也为国内外学者所关注。由于核幔耦合所产生的作用于地幔的力矩，正如布拉德和罗切斯特等所论述的那样，可以引起所观测到的地球转速的较长周期项的变化。地球转动的另一变化就是自转轴方向的变化，它的主要成分就是钱德勒晃动。而核幔电磁耦合是否起到对钱德勒晃动的激发与阻尼作用还未有定论。我们采用布拉德地球模型，利用IGRF 推导核幔边界的地球磁场的极型场和环型场，进而推算研究了核幔边界电磁耦合力矩与钱德勒晃动的关系。我们直接计算耦合力矩的纬向分量来估计对激发钱德勒晃动的贡献大小， 得出维持晃动所需的力矩约为6.7×1020N ·m ，而耦合所能提供给晃动的力矩比它小4 个数量级。据此, 我们认为核幔电磁耦合不是钱德勒晃动的激发或阻尼的主要原因。

利用IGRF 开展对地磁场的模型及其变化规律性研究，具有明显的学科意义和一定的实用意义，属于基础研究。几十年来地球物理学得到飞速发展。地球物理观测是研究的基础，学科发展主要靠基础研究。以地磁学为例，高斯把数学里的球谐分析方法引入地磁学，才有了地磁场的数学描述，开辟了地磁学科研究的新纪元，把地磁学由单纯观测的学科变成以观测为基础的既研究又观测的学科。2

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学