简介
中南大学和澳门科技大学科学家团体协作，开发了一种基于四面体矢量有限元的潮汐感应三维电磁场计算方法，具备精确模拟真实海岸线、不均匀陆地与海水表层、复杂地球深部结构影响的能力。相关成果发表于《中国科学：地球科学》2024年第1期。
海水包含大量的钠离子、氯离子等带电粒子，随着海水的大规模运动，这些带电粒子切割地球主磁场在海水中产生激励电流源，进而在海底岩石中激发感应电流、在岩石分界面上积累感应电荷，并产生感应电磁场。地磁卫星与地面台站可观测到该感应电磁场，利用定量解释手段，人们能获得海洋岩石圈和软流圈的电性结构信息。分析该电导率分布，人们能进一步获得矿物成分、水含量、部分熔融等与上地幔流变性质密切相关的信息，最终为解决岩石圈-软流圈分界面的深度及横向变化这一长期争议提供独立的地球物理电磁观测依据。
本文开发了一种基于四面体矢量有限元的潮汐感应三维电磁场计算方法，具备精确模拟真实海岸线、不均匀陆地与海水表层、复杂地球深部结构影响的能力。利用计算的高精度潮汐感应磁场结构，筛选出能观测到M2、N2和O1潮汐磁场的全球标准地磁台站，预测了适用于潮汐信号观测的台站分布，分析了澳科一号地磁卫星对潮汐感应磁场的探测能力，验证了澳科后续卫星大椭圆轨道对大规模潮汐运动的超强探测潜力。该项研究成果以“高精度潮汐三维感应电磁场模拟及地磁卫星轨道需求分析”为题，发表于《中国科学：地球科学》2024年第1期。
首先，建立运动海水感应电磁场满足的边值问题，提出了基于四面体矢量有限元的运动海水感应电磁场计算方法。利用最新的海洋深度与海底沉积层模型，建立包含真实海岸线、不均匀陆地与海水电导率分布的地球三维电导率模型，以M2潮汐源为例，通过与球谐有限元和积分方程结果的对比，验证本文计算方法的正确性（图1所示）。
图1 地表处M2潮汐磁场径向分量对比结果
(a)和(b)为球谐有限元结果；(c)和(d)为积分方程法结果；(e)和(f)为本文结果
然后，筛选出能观测到M2、N2和O1潮汐磁场信号的全球标准地磁台站，并预测了适用于潮汐信号观测的台站分布。不同位置的潮汐感应信号具有不同的强度，内陆台站能探测到的潮汐磁场信号强度普遍小于沿海及海岛台站。以台站地磁观测仪分辨率0.1nT为标准，定义潮汐磁场幅度大于或等于0.1nT的台站为可用台站，其余为不可用台站。从全球187个地磁台站中，筛选出161个能够观测到M2潮汐信号的台站（图2，黑色实心圆）。还预测123个可用于M2潮汐信号观测的新台站位置（图2，蓝色实心圆），主要分布在澳大利亚、北美洲等沿海地区。
图2 地表M2潮汐磁场强度与地磁观测仪0.1nT分辨率的比值
黑色实心圆表示可用台站，蓝色实心圆为预测的新台站
此外，还计算了澳科一号及后续卫星450km与200km轨道高度的潮汐感应磁场分布特性。2023年5月21日, 中国澳门特别行政区政府与国家航天局联合发射了澳科一号地球磁场探测卫星，运行轨道高度为450km。后续卫星拟采用近地200km、远地1600km的大椭圆轨道，比以往任何地磁探测卫星的飞行高度都低，具备采集到强潮汐感应磁场信号的潜力。图3展示了200km和450km飞行轨道对M2潮汐信号的探测能力（计算数据与卫星磁测仪器精度的倍数，称为探测度）。潮汐信号的不均匀分布特征由潮汐电流源与地球内部电性结构之间的相互作用决定。在新西兰西部和冰岛南部上方，200km轨道的M2潮汐信号探测度为8，感应磁场最大振幅为4nT，远大于卫星磁强计观测精度。200km轨道强潮汐感应信号能够用于新西兰、冰岛南部等区域的海底岩石圈和软流圈高分辨电性结构成像。
图3 200km和450km高度M2潮汐感应磁场信号探测度
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文章出版信息
中文版: 任政勇, 杨聪, 姚鸿波, 唐旭, 汤井田, 张可可. 2024. 高精度潮汐三维感应电磁场模拟及地磁卫星轨道需求分析. 中国科学: 地球科学, 54(1): 172‒185
英文版: Ren Z, Yang C, Yao H, Tang X, Tang J, Zhang K. 2024. High-precision modeling of tide-induced 3-D magnetic field and analysis of geomagnetic satellite orbit requirements. Science China Earth Sciences, 67(1): 165‒178, https://doi.org/10.1007/s11430-022-1178-6
