國際地磁參考場

國際地磁參考場模型（IGRF）是一個數字化的模型，用來計算1900年到現在的地球主磁場即地核磁場。它是由國際地磁與高空物理學協會（IAGA）的V-MOD工作組支持和贊助下的地磁模型團隊建立和維護的。1968年，IAGA正式給出了1965年的國際地磁參考場，而現在最新的是第11代國際地磁參考場模型（IGRF11），以後每5年更新一次，主要是更新其中的高斯係數。這是由於地磁場具有長期變化的特點，所以在一個模型提出來以後，每經過五年又要根據新的資料對它進行一定的修正，以提高這些參考資料的精確度。 ^[1] 

係數的誤差導致了模型的誤差，因為在求解係數過程中，所用的數據大部分只經過簡單的均方根處理。由於地磁場隨時間的變化而改變，在建模過程中，我們使用了衞星測量的覆蓋全球的矢量數據，這部分數據是相當精確的，但其它時間段數據則是通過地磁台站或者其它方式得到的，然後經過估計得到長期變化情況。由於地磁台站測得的數據覆蓋面積有限，所測數據並不能表徵全球各個區域的地磁場隨時間的變化情況，因此，建模本身就是一個誤差來源，而估計模型的精度更是極其困難。經過大量的數據統計，得到如下誤差範圍作為參考：

（1）主磁場誤差來源：①1900—1940年模型給出的精度是50nT，根據候選模型的數據和經驗推斷，精度在100nT左右更為合適；②1945—1960年，誤差在1945年的300nT；到1960年的100nT之間；③1965—1995年，誤差在50nT更為合理；④2000年以後，由於衞星數據的應用，誤差在2000年的10nT到2005年的5nT之間；⑤ 最近時間的誤差，由於衞星數據質量的降低，建議誤差在10nT左右。

（2）長期變化磁場誤差來源：通過5年的時間估計長期變化磁場的年變化率是很不準確的，而且這種變化並不呈線性增長，在1年中各個月份的變化也有很大差異．因此，採用:線性的年變化率20nT/a是及其錯誤的，這無疑增加了模型的誤差。

（3）數據處理等人為因素引起的誤差。

（4）地殼異常場引起的誤差：IGRF11模型反映的是地球主磁場的模型，即地核磁場，並沒有包括地殼異常場，例如地球表面的地質特徵（山脈、海洋、礦物質等）引起的短波長的磁場大約為200—300nT。

（5）觀測數據本身的誤差；① 人類活動的影響（交通、直流高壓輸電線路等），使得在測量時數據並沒有反映地磁場的真實情況；② 自然條件的影響（太陽磁暴、靜日變化等），一天內數值變化在20nT左右，而磁暴時可達到1000nT。 ^[1] 

自從高斯(Gauss) 把球諧分析方法引進地磁學中，建立地磁場的數學描述以來，地磁學得到了極大的發展。1965 年卡安等(J. Cain etal. ) 研究了全球地磁資料的高斯分析，得出全球地磁場模型。其後，IAGA 有一個專門小組在進行以5 年為間隔的國際地磁參考場( IGRF)研究。地磁場起源是愛因斯坦提出的世界性的科學難題之一。IGRF 的研究與製作， 使得全面研究地磁場長期變化成為可能。長期變化的研究結果又是研究深部電導率的基礎，是估計液核磁流體特徵速度的根據，進而使地磁場起源中最有希望的發電機理論得到較大發展。

我國學者利用IGRF 對地磁場做了許多基礎研究工作。

日本學者Yuku take (1969) 提出了一個地磁場模型， 認為地磁場由固定與漂移兩部分組成。但該模型的長期變化磁場不西向漂移，這與觀測場的情況不符合。為此，我們在西向漂移部分的幅度加上一隨時間變化的成分， 在修改Yuku take 模型的基礎上，利用1600 年以來的10 多個參考場的高斯係數研究了地球非偶極子磁場模型，提出地磁長期變化場亦存在固定和漂移兩部分； 較成功地擬合了1600 年至今的地磁場觀測值， 並用它先後較好地解釋了東亞磁異常的興起和太平洋中部異常的衰減乃至消失的全過程，證明了太平洋中部的非偶極子場異常微弱只是暫時現象。

吳文京(1983) 從高斯分析是“三維問題”出發， 研究了高斯分析由於測點離散化而產生的一系列理論問題。王錫碩和祁貴仲(1983) 對Yuku take 模型的源場性質進行研究，用地核內電流體系模擬了它的源。

徐文耀(1998) 利用1900～ 2000 年國際地磁參考場模型，對地球主磁場的空間結構和長期變化進行了自然正交分量分析，得到了組成地磁場的主要成分(本徵模) 及其隨時間的長期變化(SV )，得出如下結果：第一本徵模描述主磁場穩定結構的總體特徵，其強度隨時間單調減小；第二本徵模主要描述印度洋和南大西洋地區正異常特徵，其強度也隨時間單調變化；第三本徵模對應於加勒比地區正異常，其強度呈100 a 週期的變化，目前正處於下降階段；第四本徵模的主要特點是北美正異常和南亞負異常， 其強度呈80 a 週期的變化；第五本徵模對應尺度較小的局部磁異常，其強度的變化週期約60 a；第六及其以後的本徵模則對應空間尺度更小和時間變化更快的磁異常。分析表明，太平洋地區的磁場經歷着緩慢的單調減小變化，其結構比較穩定，幾乎完全包括在第一本徵模中。但是，印度洋磁場結構較複雜， 它是由空間結構不同和變化週期各異的多個本徵模組成的。大西洋的北部、中部和南部分屬不同本徵模，它們有完全不同的時間變化特性。

在對地磁長期變化的研究中，重磁關係問題也曾引起大家的興趣。核幔電磁耦合也為國內外學者所關注。由於核幔耦合所產生的作用於地幔的力矩，正如布拉德和羅切斯特等所論述的那樣，可以引起所觀測到的地球轉速的較長週期項的變化。地球轉動的另一變化就是自轉軸方向的變化，它的主要成分就是錢德勒晃動。而核幔電磁耦合是否起到對錢德勒晃動的激發與阻尼作用還未有定論。我們採用布拉德地球模型，利用IGRF 推導核幔邊界的地球磁場的極型場和環型場，進而推算研究了核幔邊界電磁耦合力矩與錢德勒晃動的關係。我們直接計算耦合力矩的緯向分量來估計對激發錢德勒晃動的貢獻大小， 得出維持晃動所需的力矩約為6.7×10²⁰N ·m ，而耦合所能提供給晃動的力矩比它小4 個數量級。據此, 我們認為核幔電磁耦合不是錢德勒晃動的激發或阻尼的主要原因。

利用IGRF 開展對地磁場的模型及其變化規律性研究，具有明顯的學科意義和一定的實用意義，屬於基礎研究。幾十年來地球物理學得到飛速發展。地球物理觀測是研究的基礎，學科發展主要靠基礎研究。以地磁學為例，高斯把數學裏的球諧分析方法引入地磁學，才有了地磁場的數學描述，開闢了地磁學科研究的新紀元，把地磁學由單純觀測的學科變成以觀測為基礎的既研究又觀測的學科。 ^[2]