地磁場長期變化

地磁場具有長期變化，是英國吉利布蘭(Gel-librand)於1634年從英國倫敦的磁偏角變化中發現並首先提出的，後來世界許多地方也先後發現了地磁場的長期變化。 ^[1]  地磁場長期變化是一種全球性的現象。

從中國佘山地磁台各個地磁要素的年均值、極大值和極小值之間相隔的時間（圖1）可以看出，地磁場強度的長期變化約具有60年左右的週期。

從英國倫敦地磁場方向的長期變化(圖2)中可以看出，地磁場方向的長期變化約具有500～600年左右的週期。一般在較短時期(十幾年或幾十年)內，各個地磁要素的長期變化常表現為單向的遞增或遞減。

利用長期的地磁資料進行頻譜分析，以及考古地磁學的研究，表明地磁場的長期變化可能具有 22年、50～70年、120年、180年、500～600年、1000年和 7000～8000年等週期。 ^[2] 

繪製各地磁要素的世界等變線圖，是表示各地磁要素長期變化全球性分佈的常用方法。等變線就是畫在地圖上的某年世界各地某個地磁要素年變率相等的等值線。某地某個地磁要素的年變率就是這個地磁要素年平均值的逐年變化，其單位分別為納特/年和〔角〕分/年。

在地磁台上，利用相鄰兩年的年均值之差可求出這兩年內的年變率，或者利用某兩年的年均值之差除以兩者相隔的年數，可以求出這幾年的平均年變率。全球地磁台站的數目是有限的，不能直接用觀測數據來表示全球地磁場長期變化的區域性分佈特徵，因此，通常在地面上建立許多地磁測點，一般每隔 5年左右在這些測點上重複進行一次地磁測量。在這些地磁測點上，利用相隔幾年某兩個日期的地磁觀測值之差，除以由相隔的天數所換算的年數，也可以求出相應的平均年變率。把某年各個地磁台站和各個地磁測點的某個地磁要素的平均年變率標註在地圖上，並且畫出一系列的等值線，這種年變率等值線圖就稱為某年世界某地的地磁要素等變線圖或長期變化圖。世界地磁場等變線圖一般每隔 5年繪製一次。第一張即1942(即1942年7月1日零點起算)年世界地磁場等變線圖是維斯廷(E.H. Vestine)於1947年繪製的。

世界地磁場等變線圖可把一個時期的地磁場長期變化的全球性分佈特徵清楚地顯示出來。 ^[3]  （圖3）

等變線圖的一個顯著特點是等變線圍繞着幾個中心分佈，地面被劃分為幾個區域，其長期變化值有的為正，有的為負。這些中心稱為地磁場長期變化中心或焦點。各個地磁要素的等變線圖是不同的，不過彼此之間具有一定的關係。

不同年代的各地磁要素的等變線圖均會發生一些變化，不僅等變線的形狀、各個地點（包括長期變化中心）的年變率都發生變化，而且長期變化中心的數目和位置也發生一些變化。其中最引人注目的一個特點是，某些長期變化中心的位置在一定時期之後或多或少地向西移動。這種現象稱為地磁場長期變化的西向漂移。

不同年代、不同地磁要素的各個長期變化中心的西向漂移速度均不相同。平均起來，地磁場長期變化的西向漂移速度約為每年0.3°。

根據地磁場高斯理論，可以利用高斯係數把地磁場分解為偶極子磁場和非偶極子磁場兩個部分。由於地磁場存在着長期變化，不同年代的高斯係數具有不同的數值。因此，利用不同年代的高斯係數可以研究偶極子磁場和非偶極子磁場的長期變化。 ^[4] 

研究結果表明，對於近代地磁場，偶極子磁場的長期變化主要表現為偶極子的磁矩約以每年減小0.05%的速率衰減（圖4），偶極子的磁極位置每年約以0.05°的速度沿緯度圈向西移動；非偶極子磁場的長期變化主要表現為每年約以0.2°的速度沿緯度圈向西漂移，同時每年約以10納特量級的速率增強或減弱。因此，偶極子磁矩的衰減和非偶極子磁場的西向漂移成為近代地磁場長期變化的兩個基本特徵。

表中為不同作者求出的近百餘年來不同年代的偶極子磁場的高斯係數 g嬼、g姌和h姌，以及由此求出的偶極子磁矩M 和地磁北極的地理位置θ、λ。其中θ是餘緯度，也稱極角；λ是經度,也稱方位角。從表中可以看出，近百年來偶極子磁矩是逐漸衰減的。這種衰減是直線性的，衰減速率約為每年減少0.05%。按此速率衰減下去，2000年以後地球磁矩將變為零。 ^[5]  但是，考古地磁學的研究表明，地球磁矩可能具有週期性變化，不可能永遠單調地衰減下去。過去4000年期間地球磁矩的變化顯示出週期性（圖5），2000年前地球磁矩是逐漸增加的。

從表中還可以看出，近百年來偶極子的極角基本保持不變，而偶極子的方位角λ卻逐漸向西移動，西移速度約為每年0.05°。不過，關於偶極子方位角是否確有西移的問題，尚有爭議。

1693年，英國天文學家哈雷(E.Halley)首先發現地磁場的分佈圖像緩慢地向西移動。20世紀，尤其是50年代以來，對地磁場西向漂移進行系統研究的結果表明，西向漂移主要是非偶極子磁場的特徵，並且非偶極子磁場的西向漂移是相當複雜的地磁現象。首先，各個地區的非偶極子磁場的西向漂移速度不一，有的漂移較快，有的漂移較慢，有的甚至不漂移。例如非洲磁導常漂移最快，而北美洲磁異常基本不漂移。其次，不同年代非偶極子磁場的西向漂移速度也不一致。西向漂移速度約為每年0.2°，只是一種平均結果。為了解釋西向漂移速度的分散性，日本行武毅等人把非偶極子磁場分為兩類：一類稱為漂移磁場，磁場強度不變，而具有穩定的西向漂移；另一類稱為停滯磁場，磁場強度和位置都是穩定的。由於這兩類磁場疊加的結果，才把某些地區的西向漂移的規律性掩蓋了。關於非偶極子磁場的西向漂移問題也有爭議，有些人對其真實性表示懷疑，原因不僅在於西向漂移速度的分散性，而且在於某些地區出現相反的東向漂移。

非偶極子磁場的場源是由地球的液態外核邊界的湍流所產生的自激發電機效應，而液態外核又因其內部的對流使其產生差速轉動，結果導致外核的角速度比地幔的角速度低。因此，非偶極子磁場的場源相對於地幔必然向西移動，這就是非偶極子磁場產生西向漂移的原因。