空间磁场的分类及其特点

为了更加精确地建模空间磁场，需要对地磁场有一个更加清楚的认识。按照场源位置划分，地磁场可分为内源场和外源场两大部分。内源场起源于地表以下的磁性物质和电流，它可以进一步分为地核场、地壳场和感应场三部分。地核场又称主磁场，现在普遍认为它是由地核磁流体发电过程产生的。地壳场又叫岩石圈磁场或局部异常磁场，是由地壳和上地幔磁性岩石产生的。主磁场和局部异常磁场变化缓慢，有时又合称稳定磁场。感应场是外部变化磁场在地球内部生成的感应电流的磁场，感应场与外源变化场一样，具有较快的时间变化。外源场起源于地表以上的空间电流体系，它们主要分布在电离层和磁层中，行星际空间的电流对变化磁场的直接贡献很小。由于这些电流体系随时间变化较快，所以外源磁场通常又叫作变化磁场和瞬变磁场。根据电流体系及其磁场的时间变化特点，一般可以把变化磁场分为平静变化磁场和扰动磁场。从全球平均来看，地核主磁场部分占总磁场的95% 以上，地壳磁场约占4%，外源变化磁场及其感应磁场只占总磁场的1%。表4-2 列出了地球磁场主要成分及其基本特点［26-27］。

表4-2　地球磁场主要成分及其基本特点

1.内源场

地磁主磁场的长期变化的时间尺度是108 s 以上，地壳场变化的时间尺度则更长。由于地壳磁场随高度而衰减，短波长异常衰减更快，所以，与近地面磁测结果相比，卫星磁异常强度小而空间尺度大，而且结构较简单。与400 km 高度处10～20 nT 卫星磁异常对应的近地面磁异常幅度约为100 nT，而地面小尺度异常可达几千nT 以上，但是在卫星高度上没有显示。因此可以说，在卫星高度上，地壳磁场的影响下降速度很快，远小于地面的异常幅度（考虑衰减之后），在低轨上的比重大幅减小，中高轨道上甚至可以忽略地壳场的影响。

2.外源场

地球变化磁场（Geomagnetic Variation Field）是指随时间变化较快的那部分地磁场，主要由地球之外的空间电流体系所产生，所以变化磁场通常又称“外源磁场”。外源场通过电磁感应在地球内部产生的感应电流对变化磁场也有一定贡献。(www.xing528.com)

与地核场和地壳场相比，外源场最明显的特征是它随时间发生快速变化，变化的时间尺度从几十分之一秒（地磁脉动）到11 年（地磁场的太阳活动周期变化），其中包括日变化、暴时变化、27 日太阳自转周期变化、季节变化等。这就是说，变化磁场的时间谱覆盖了10-2～108 s 共10 个数量级。

大多数外源场的变化，如太阳静日变化、磁暴等，具有全球尺度，即使是亚暴极光带电集流和赤道电集流这些空间尺度较小的电流体系，它产生的磁场也有相当大的空间展布，而地壳场异常的空间尺度往往只有百千米量级，甚至更小。地磁变化场在有些时候变化平缓而规则，有些天的变化则不太规则，地磁学中分别称为“磁静日”（Magnetically Quiet Day）和“磁扰日”（Magnetically Disturbed Day）。完全平静和剧烈扰动的日子都不多，大多数日子的地磁变化是在规则日变上叠加一些形态和幅度不同的扰动。由此可见，变化磁场中包含着许多不同的成分，有的成分呈规则的周期性变化，有的则很不规则；有的幅度较小而变化平缓，有的幅度很大而变化剧烈；有的变化在全球同时出现，有的变化仅限于局部地区；有的变化持续存在，有的偶然出现。因此要描述外源场是很困难的。

3.感应场

日变化的外源场部分是主要的，它起源于地球外部的电流体系，而内源场部分则是外源场在地球内部感应电流的磁场，这就是地球感应磁场——地磁场日变化的外源场强度大约是内源场的2 倍。地球感应磁场是外源变化磁场的“附属产品”，它是由外源场在地球内部感应而成的电流所产生的磁场。与地球总磁场相比，感应磁场平均不到0.5%。

但是，感应磁场的复杂性一点不亚于主磁场和地壳磁场，其原因是双重的。一方面，由于变化磁场种类繁多，凡是变化磁场均有相应的感应磁场，所以，外源变化磁场有多复杂，感应磁场就有多复杂；另一方面，由于地球电性存在全球性、区域性和局地的不均匀分布，即使外源场相同，在不同地区也会产生不同的感应磁场，这更增加了感应磁场的复杂性。

地球感应磁场的根本起源是磁场-电离层系统的电流，但是直接产生感应磁场的源是分布在地壳和地幔中的感应电流。所以，感应电磁场的强度和分布既取决于外源场的强度、频率和分布，又取决于地球的电性。感应磁场把地球外部的电磁环境和地球内部的电磁性质联系在一起，构成了地球不同圈层耦合的重要内容。因此它本质上也属于内源场。