低成本地磁场监测设备的设计与实现

为能够在短时间内建成区域高密度地磁场观测台网,实现地磁场数据成网、成片观测,需要解决精准捕捉极震区特大震前磁场异常现象的问题。项目组利用物联网通信技术,基于RM3100三轴磁传感器,开发低成本地磁场监测设备,并部署在天津市宝坻区、武清区,同时利用人工智能数据分析技术和时序数据存储技术,开展地震前兆异常自动判定和可视化预报技术研究。该成果在2022年6月23日天津宝坻M 2.0地震中得到了验证,说明低成本地磁场观测系统不仅对大震有察觉,对于近距离的中小地震同样敏感。

地磁场与气候相关性研究五十年

地磁场与气候相关性研究五十年,人们并没有完全理解地磁场变化如何调控气候,反而更深刻地意识到这个问题远比之前想象的要复杂.本文从不同的时空尺度梳理了过去五十年间对于地磁场与气候关联性的研究.研究表明,从万年尺度的地磁倒转、千年尺度的地磁漂移、到百年尺度的考古地磁急变,甚至年代际的地磁活动变化,各种尺度的地磁场变化与气候之间都存在显著的关联.然而,相关性并不代表因果性,地磁场影响气候变化的潜在机制仍然存在争论.宇宙射线生成云机制是目前最有潜力的地磁场调控气候的过程,它在不同的时间尺度上有效地发挥作用,但其确切的物理机制和相对重要性仍然是悬而未决的问题.本文提议,应当从日地多圈层耦合的角度去理解地磁场与气候的关联性,并重点关注区域气候系统对区域磁场变化的响应.从古到今、从点到面,最终形成关联地磁场与气候变化的全球图像.如今,可精细刻画南大西洋异常区(SAA)磁场变化的澳科一号的成功发射,百年尺度的西太平洋磁异常区(WPA)的首次发现以及古地磁/考古地磁和古气候数据重构的快速发展为地磁场与气候研究提供了新的历史机遇,地磁场变化对气候的影响研究将被推向新的高潮.

基于Swarm卫星磁测数据的全球多场源地磁场建模

全球多场源地磁场模型因其可同时描述场源多、使用方便等优点在很多行业中得到了应用.本文基于高精度磁测卫星Swarm A自发射以来的九年标量和矢量观测数据,利用球谐分析方法,同时实现主磁场及其变化、岩石圈磁场和磁层外源场模型系数的反演.其中内源场球谐截止阶数70阶,对应空间分辨率为571 km;主磁场变化求解至13阶,采用6阶B样条函数描述,可实现主磁场长期变化、长期加速度等的计算;外源场球谐截止阶数2阶.统计结果表明最终模型拟合rms为3.29 nT.为了对模型结果开展评估,先后利用综合场模型CM6和CHAOS-7对功率谱以及各场源全球分布开展了对比,结果表明该模型与CM6和CHAOS-7模型结果在趋势和量值上均十分接近,其中主磁场、岩石圈磁场和磁层外源场与CHAOS-7模型典型残差分别在5 nT、1 nT和2 nT以内.此外,基于Swarm A卫星模型,我们还分析了2014和2023年的全球主磁场变化特征,对全球岩石圈磁异常和外源场分布规律进行了展示和总结.通过本项工作可以实现多场源模型系数的同步解算,为相关行业应用提供技术支撑.

低轨卫星磁测及全球地磁场建模

低轨卫星磁测因其覆盖范围广、精度高、无疆域限制等优点,已逐步成为全球高精度地磁探测和全球地磁场模型更新的主要手段.本文首先对国内外低轨卫星磁测发展历史、主要特征、测量精度、发展趋势等做了总结和回顾.其次介绍了低轨卫星磁测的在轨定标流程和方法,详细描述了作为重点和难点的矢量磁场在轨正交校正和坐标转换算法,并展示了主要磁测卫星在轨定标结果.文章最后介绍了全球地磁场建模理论,并对主要的全球地磁场模型、空间分辨率等进行了总结,展示了主磁场、不同分辨率岩石圈磁场、磁层和电离层电流体系外源场的全球分布形态和主要特征.得益于低轨卫星磁测技术,全球地磁场建模得到了快速发展,并在科学研究、资源探测、通讯导航、自然灾害防治等领域得到了广泛应用,但目前仍然面临时空分辨率有限等问题,解决这一问题需要融合近地表观测数据,并不断优化场源描述能力和建模技术.

全球综合地磁场模型精度评估及统计特征分析

随着全球地磁场模型的不断更新,利用相关数据开展精度评估及统计特征分析,对于精准评价地磁场模型的可靠性,具有十分重要的意义。结合国际地磁台网(Intermagnet)150个台站,分析了3个(POMME-11,CHAOS-7,EMM2017)全球综合地磁场模型在全球范围内的平均精度,得到了7个地磁分量的相关精度指标,从地磁台站数据比较的数值结果来看,EMM2017整体三精度相对较优,CHAOS-7次之,POMM11最差。其中EMM2017三分量(X,Y,Z)及总强度的精度分别为75.98 nT,104.38 nT,113.07 nT,101.71 nT,相对精度比CHAOS-7提升21.69%,5.45%,21.25%,24.94%,因此,在地学研究及地磁场应用方面,应优先采用EMM2017模型。同时基于功率普、系数相关性、敏感性矩阵3个方面对模型系数进行了统计特征分析,在功率普方面EMM2017均优于其他两个模型,而在系数相关性、敏感性矩阵方面CHAOS-7与CM6相似。

全球地磁场模型研究进展

地磁场模型主要用于描述全球地磁场的分布特征,已广泛应用于民用导航、资源勘探和地震与火山预警等相关领域。本文详细介绍了新一代全球地磁场模型的发展现状,给出了部分模型计算值的分布图,并概述了不同场源条件下相关地磁场元素值及年变率的计算原理。

中国地区地磁急变特征对地磁场长期加速度的响应

研究中国地区地磁急变(jerks)和地磁长期加速度(secular acceleration, SA)的响应关系,有助于深入了解地磁急变区域特征,并为地磁急变的地核动力学起源研究提供有用信息.本文利用中国地磁台站观测数据和CHAOS-7磁场模型,研究了自2000年以来中国地区地磁急变和地磁长期加速度的时空响应关系.结果表明,地磁长期加速度在东半球和西半球有不同的变化特征.西半球加速度斑块主要出现在赤道附近,并呈现明显的西向漂移特征;而东半球加速度斑块则在南北和东西方向上来回运动.地磁急变与长期加速度斑块的强度和位置密切相关,地磁急变通常发生在地磁长期加速度强度(secular acceleration intensity, SAI)的极小值时期.自2000年以来,全球长期加速度强度大约在2006年、2009年、2012.5年和2016年达到极大值,而在2003年、2007年、2011年和2014年附近达到极小值.中国地区在2003年和2014年出现地磁急变,这两个年份既是东半球长期加速度强度的极小值时期,也是长期加速度正负斑块反极性的过渡时期.然而,在2007年和2011年,中国地区没有发生地磁急变现象,主要原因可能是这两个年份附近中国地区长期加速度正负斑块没有发生反极性变化,同时东半球长期加速度脉冲斑块主要分布在南半球,远离中国地区.这些脉冲斑块对中国地区地磁长期变化的影响主要表现为引起长期变化的小幅波动.

基于Phyphox软件测量地磁场的一种普适性方法

通过对地磁场矢量进行分解,提出运用手机Phyphox软件测量地磁场的一种普适性方法.该方法原理简单且易于操作,可用于实验教学,鼓励学生利用日常工具来解决物理问题,培养学生物理学科核心素养和发展创新意识.同时,该方法也可在导航、探矿等地磁场应用领域进行粗略的地磁场测量.

自制“地磁场发电机”在高中物理教学中的应用

基于现有教材中交流发电机原理,自制“地磁场发电机”演示装置,结构简洁,效果直观清晰,有显著的冲击力.将自制教具与物理教学有机结合,鼓励学生亲自参与,引起学生的学习兴趣,培养学生的科学探究能力和创新能力,提升物理学科素养.

基于手机软件Phyphox地磁场三要素的测量

智能手机不仅给我们带来便捷的生活,也使我们能够随时随地探索自然,进行物理实验.本实验主要借助Phyphox软件,测量地磁场总磁感应强度的水平分量B‖和垂直分量B⊥,算出地磁场总磁感应强度B和磁倾角β,为高中物理必修3中第112页STSE学生实验提供参考.

带电粒子在地磁场中的运动及Mathematica数值模拟

基于单粒子轨道模型和地磁场偶极子模型,考虑相对论效应,对近地球区域磁场中运动的带电粒子轨迹使用Mathematica软件中六阶龙格—库塔算法进行数值计算和模拟,并对极光现象的产生进行了解释,同时讨论了带电粒子在地磁场中运动的引导中心近似.结果表明:1)从地球北极方向观察,被地球磁场捕获的质子沿顺时针方向漂移,电子沿逆时针方向漂移;2)粒子各个分运动的运动周期数值模拟结果与文献中理论值非常吻合;3)从(4Re,0,0)入射的粒子投掷角小于7.38°时,带电粒子将会与地球表面大气层碰撞而沉降,存在产生极光现象的可能.大于7.38°时,粒子将会被束缚在地磁场中,形成辐射带;4)其他条件相同时,带电粒子投掷点距离地球越远,其漂移速度越大;投掷角越大,其漂移速度也越大;5)对于能量较低的粒子,一阶近似下引导中心轨迹能很好地代表粒子实际运动轨迹.

导航定位中高精度区域地磁场融合式插值建模

高精度区域地磁场建模是组合导航定位中的关键技术,针对目前Taylor多项式建模、Kriging插值建模局部数据失真、分辨率不高等问题,提出了基于变异参数矩阵阈值识别的融合式插值建模算法。自动区分数据变化剧烈区域和平缓区域,智能选择相适应的建模算法,设计了融合式模型边界衔接数据修补完善算法,提高了区域地磁场分辨率,实现了整体数据平滑过渡。不同区域地磁场建模仿真实验表明,所提算法的模型分辨率优于Taylor多项式算法和Kriging插值算法,区域数据误差均方差至少降低了56%,具有一定的实用价值和应用前景。

基于贝叶斯证据的全球地磁场模型主磁场阶数分析

全球主磁场模型描述了主磁场的时空分布特征。模型的主磁场阶数是构建主磁场模型的关键问题之一。使用贝叶斯推理分析全球主磁场模型,依据贝叶斯证据比较模型阶数,为主磁场的阶数分析提供一种统计依据。利用Swarm卫星磁测数据,估计不同阶数的主磁场模型的证据。结果表明,在1~20的模型阶数中,阶数N=12具有全局最佳证据。参照Jefrrey’s scale的阈值区间,数据对阶数N=12的偏好显著优于其他阶数。实验表明,主磁场阶数的证据推理可用于研究主磁场贡献,结果与14阶球谐函数的功率谱分析相匹配。

电子自旋共振测定地磁场及其教学启发

通过采用DZZX-1型电子自旋共振仪,借助于计算机辅助技术,每月月初对贵阳市乌当区地磁场大小进行实验测量。结果显示,一年内的平均磁场大小为(0.48±0.02)×10^(-4)T,其中垂直分量与水平分量分别为(0.34±0.03)×10^(-4)T与(0.33±0.01)×10^(-4)T。测量地一年中的地磁场起伏程度较小,大体上呈现出稳定性。据此拓展了实验相关的教学思考,在近代物理实验教学中,根据实验特征,注重相应的探索性和应用性。

我国地磁场探测精度最高卫星投入使用

据报道,2023年11月28日,内地与澳门地区合作研制的首颗空间科学卫星“澳门科学一号”投入使用仪式在澳门地区举行。作为我国地磁场探测精度最高的卫星,该卫星的投入使用将大幅提高我国空间磁场探测技术水平。“澳门科学一号”卫星采用“A星+B星”联合观测模式。A星搭载高精度磁场观测载荷、能量电子谱仪和激光反射器等载荷,重点开展高精度地球磁场测量任务;B星搭载中能粒子探测器、太阳X射线探测器和激光反射器等载荷,重点开展太阳X射线和地球内辐射带能量粒子探测任务。A星和B星联合对南大西洋异常区高能粒子的时空分布结构开展观测。

地磁场模型及其在航天领域的应用

随着航天技术快速发展,通过对现有地磁场模型在航天领域中的应用现状观察发现,目前模型的精度和分辨率已不能满足日益激烈的空间领域的竞争。通过总结全球和区域最新的地磁场模型研究进展及其建模理论,分析地磁场模型在航天领域的应用,提出要加强现有磁测数据的整编以应对未来航天市场需求,为技术创新提供思路,研发适合我国航天发展的高精度、高分辨率的地磁场模型。

西藏自治区地磁场变化特征初步研究

利用西藏自治区拉萨、狮泉河、察隅3个地磁台站2014~2018年的地磁观测资料,通过分析不同地震台站的地磁原始数据、垂直分量日均值、垂直分量日变化空间相关性,得出拉萨地磁台、狮泉河地磁台可提供连续稳定和准确可靠的地磁观测数据,磁通门秒数据谐波振幅比北南方向和东西方向上长短周期未显示异常。通过上述资料分析,初步认识了西藏自治区地磁场各要素的变化规律及基本特征。

京津冀地区地磁场球冠谐分析

20 0 2年在京津冀地区进行了 4 5个测点的地磁三分量测量 ,对测量资料进行通化处理 ,通化时间为 2 0 0 2年 5月 5日 16～ 18时 (世界时 ) .通化后的观测均方差分别优于 1.5nT(地磁场总强度F) ,0 .5′(磁偏角D和磁倾角I) .将国际参考地磁场 (IGRF2 0 0 0 )作为地磁正常场 ,建立了京津冀地区地磁异常场的球冠谐模型 (BTHASCH) .球冠极的空间位置坐标为 39.5°N和 117.0°E ,球冠半角为 4° .在模型计算过程中 ,球冠谐函数的截断阶数分别取为 1～ 10 .经综合比较 ,最终采用的截断阶数为 5 .建立了京津冀地区参考地磁场的球冠谐模型 (BTHGRF) .根据模型 ,绘制了京津冀地区地磁异常场图 (ΔX、ΔY、ΔZ、ΔF、ΔD、ΔI)和京津冀地区地磁图 (X、Y、Z、F、D、I)

用曲面Spline方法表示1900～1936年中国(部分地区)地磁场及其长期变化的分布

根据1936.0年426个地磁测点和28个IGRF计算的地磁数据,计算地磁场和地磁异常场各个分量的曲面Spline模型,并绘制相应的地磁图和地磁异常图.依据我国部分地区的1909～1915,1915～1920,1920～1930,1930～1936年间地磁偏角长期变化图,1908～1917,1917～1922,1922～1936年间水平强度长期变化图和1908～1922,1922～1936年间垂直强度长期变化图,使用曲面Spline方法,分别计算上述9个时间段的磁偏角(D)、水平强度(H)和垂直强度(Z)长期变化的曲面Spline模型,并绘制相应的长期变化图.根据这些长期变化模型,将1936.0年426个点的三分量绝对值数据归算至1940,1930,1920,1910年和1900年,从而为计算这5个年代的地磁场模型奠定了坚实的基础.

地磁场在导航定位系统中的应用

阐述了地磁匹配导航的基本原理及相关地磁场理论,介绍了国内外应用地磁导航的动向及发展现状,提出了地磁导航系统中三个方面的关键技术:一是导航区域地磁数据库的建立;二是载体上磁力仪的实时测量;三是地磁匹配算法。同时,结合有关地磁建模方法、地磁测量补偿算法及地磁匹配导航定位算法,分析了地磁导航存在的主要问题,指出了发展地磁导航应采取的必要措施,为下一步地磁导航的深入研究明确了方向。