PEPI：地磁场的全频谱
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科学
2023-10-23 17:34
北京
地磁场是地球的一项重要特征，它不仅影响着导航、通讯和电力系统，还保护着我们免受太阳风的侵袭。地磁场在不同的时间尺度上发生着变化，从百万年级的极性反转到秒级的微脉冲，反映了地球内部和外部的多种物理过程。为了量化和展示这些变化，美国加州大学圣地亚哥分校的Catherine
Constable和Steven Constable教授共同绘制了一个跨越20个数量级频率范围的地磁场综合功率谱，并在《地球与行星内部物理（PEPI）》杂志上发表了他们的研究成果。功率谱是一种常用的分析方法，可以描述信号在不同频率下的能量分布。通过对地磁场数据进行功率谱分析，可以揭示产生地磁场的各种因素在不同频率下的相对重要性，以及它们之间的幂律关系。两位科学家利用了多种数据源，包括古地磁、历史、卫星和观测台数据，构建了一个从10-15Hz到20 kHz（周期从1000万年到5×10-5秒），以及从10-9 (nT)2/Hz到1021 (nT)2/Hz的功率范围的地磁场综合功率谱。他们使用了自适应正弦多抽样算法来估计功率谱，并考虑了不同数据源之间的误差和重叠。他们发现，这个综合功率谱可以分为两大部分（见图1）：由地核发电机产生的内部场和由太阳风与地球磁层、电离层和大气层相互作用产生的外部场，以及外部场在导电地壳中诱导出的内部场。内部场在低频段占主导地位，主要由轴向偶极子组成，其变化包括极性反转、漂移、古地磁变化和长期、中期和短期的持久变化（Secular Variation）。内部场随着频率增加而衰减，呈现出不同的幂律关系。外部场在高频段占主导地位，主要由环形电流产生，其变化与太阳活动有关，包括11年太阳黑子周期、27天太阳自转周期、日变化、磁暴等。外部场也随着频率增加而衰减，但幅度较小。外部场还会在导电地壳中诱导出一个与之相似但相位滞后的内部场。（The grand
spectrum of the geomagnetic field）他们指出，在11年周期处有一个明显的转折点，标志着内部场和外部场能量相当的位置。在这个频率以下，内部场是主要贡献者，在这个频率以上，外部场是主要贡献者。这个转折点也反映了测量和建模地磁场时面临的挑战：如何从复杂的信号中分离出地核动力学和太阳风-磁层-电离层耦合系统的信息。他们认为，这个综合功率谱不仅能量化不同频率下各种地球物理过程的相对重要性，而且能提供一个引人入胜的图像来展示地磁场的复杂性。这个图像可以用于科学研究和教育，帮助人们理解地磁场的起源、演化和变化。他们还提供了他们使用的数据和谱分析的方法，以便其他研究者可以重现和扩展他们的工作。Constable, C., Constable, S., 2023. A grand
spectrum of the geomagnetic field. Physics of the Earth and Planetary
Interiors, 107090.https://doi.org/10.1016/j.pepi.2023.107090
