地球磁场及常用坐标解读

地心-太阳黄道坐标系（Geocentric Solar－Ecliptic coordinate）
该坐标系是又常称太阳黄道坐标系，简称 GSE 坐标系，以地心为原点的直 角坐标系。Xse 指向太阳，Zse 轴垂直于黄道面，Yse 轴与它们构成右手坐标系。
地 心 太 阳 磁 层 坐 标 系 （ Geocentric coordinates）
Solar － Magnetospheric
该坐标系是又常称为太阳磁层坐标系，简称 GSM 坐标系，以地心为原点的 直角坐标系， Xsm 轴指向太阳， Zsm 轴在 Xsm 轴与地球磁偶极轴确定的平面内，与 兄。轴垂直，Ysm 轴与兄。轴和 Zsm 轴构成右手坐标系。
订正偶极坐标系（Corrected Dipole coordinates）
约为 610 nT 的量级。
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武汉地磁各地磁要素如下：
地磁总强度：49316.5nT; 磁偏角：-3.73; 磁倾角：45.98; 北向分量：34200.2nT; 东向分量：2227.9nT; 垂直分量：35461.3nT; 水平分量 34272.7nT。
常用坐标系
地理坐标系（Geographical coordinates）
外源场主要是变化磁场，包括宁静变化场和扰动变化场。 外源 按照电磁场理论， H=J ，电流可以产生磁场。 地球空间的某些区域存在空间电流系， 地球外源场主要由这些空 间电流系产生。 空间电流系包括磁层电流和电离层电流。 它引起 地磁场的短期扰动变化。 地磁场最快的周期性变化是地磁脉动， 变化周期最高可达到几十 Hz，规则变化有周日变化、季节变化以及与太阳 11 年活动周期 有关的长期变化等。 扰动变化有磁暴、磁亚暴和其它与太阳风有关的不规则起伏。
该坐标系又叫“订正地磁坐标系”（Corrected GeoMagnetic coordinaies）， 是以实际地磁场来订正（或改进）的坐标系。在研究沿磁力线传播的现象时很 有用处。当用于研究极区现象时，地球表面任意一点的两个坐标是订正偶极经 度（corrected dipole longitude）和订正偶极纬度（corrected dipole latitude）。它们定义为：从地面一点 Q 出发的偶极子磁力线与赤道交于 A
点，通过 A 点的实际磁力线（包括非偶极场）又与地面交于 Q点，Q的地理经 纬度即为 Q 点的订正偶极经纬度。
地磁场的构成
地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内部的内源场和 源于地球上空电流体系的外源场。 内源场是地球空间磁场的主要部分，称为主磁场，习惯上称 基本磁场，这部分磁场很稳定，只有缓慢的长期变化。
地磁场方向角的单位是度分秒；国际通用的磁通量密度单位是 nT，更经常用 表示，有时也用高斯作单位。单位间的关系是： 1T(tesla) = 10 nT = 10 gauss， 1nT = 1 = 10 gauss。
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地表上地磁场大小，在磁赤道约为 310 nT 的量级;在磁极处，
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该坐标系是相对地球固定的坐标系，原点在地心，坐标 r，，分别是地心距、余纬（由 地理北极起算）和经度（从格林尼治子午线起算，向东为正，经度超过 180“为西经），有时 以赤道为纬度 0，向南北与赤道面夹角分别为南北纬，向北为正，向南为负。
偶极坐标系（Dipole coordinates）
它是以地心为原点的球面极坐标系，以过地球中心的偶极轴为极轴，与地球自旋轴的夹角 为 11.2。有时把偶极坐标系也称为地磁坐标系。该坐标系涉及到的一些概念定义如下： 偶极赤道：与中心偶极子垂直的大圆； 偶极子午面：通过偶极子两极的大圆； 偶极经度h：过地球表面一点的偶极子午面与过地理极的偶极子午面之间的夹角； 偶极纬度m：该点与地心连线与偶极赤道的夹角； 偶极地方时：地面一点的偶极经度与当时日下点的偶极经度，单位为小时； 偶极正午：与日下点偶极经度相同，该点此刻为偶极正午； 偶极子夜：与日下点的偶极经度相差 180。 由于这一坐标系是以地磁场为基础的坐标系，所以地磁坐标常专指偶极坐标系，偶极经 度、偶极纬度、偶极赤道、偶极时又称地磁经度、地磁纬度、地磁赤道和磁地方时。
内源
目前认为，地球基本磁场起源于地球内部，内源场主要由地 球内部熔化了的金属核流动引起。这种流体运动，随时间有 很缓慢的变化，从而引起主磁场的长期变化。液体金属核的 涡旋运动产生大尺度的磁异常，也叫世界磁异常；地壳内的 磁性物质的复杂分布产生了尺度较小的局部磁异常。
地球表面地磁总强度等值线图(1995 年)。等值线单位：nT。 图中左上角和右下角的两个极大代表南北半球地磁极所在区域。 南美洲东海岸 及其附近海域的极小，通常称作南大西洋磁异常；东西伯利亚的极大曾经被认 为是另一个磁极，实际上是大陆磁异常。
一、地球空间磁场表述
描述地磁场的参量共有 7 个，它们是：总强度、水平分量、垂直分量、倾角、 偏角、东向分量、北向分量。这 7 个参量只有 3 个是独立的。 地球空间磁场是一个矢量场， 确定空间任一点 P 的磁场所需要的 3 个独立分 量，称为地磁要素。源自各地磁要素之间的关系如下：
F2 X2 Y 2 Z2 H2 X2 Y 2 Y H sin D Z H tan I tan I Z / H tan D Y / X
空间电流系
磁层顶电流 磁层顶电流是太阳风与地球磁场作用形成的 电流片。 位于磁层磁场与行星际磁场的交界区域， 即磁层的 外边界。在向日的一侧，磁层顶电流向东流动，即沿晨-昏 方向横越磁层的日下点。 电流强度的变化依赖行星际磁场的 方向和强度。 磁尾电流 磁尾中性片电流由等离子体片粒子的定向运动 形成。 磁尾中性片把磁尾分成磁场方向相反的两瓣。 宁静时 电流密度约 5～50 nA· m-2。电流指向西，即由晨侧越过磁尾 流向昏侧，在磁层顶的尾部与磁层顶电流形成回路。
磁层电流系示意图
环电流 环电流是在地心距 3～7RE 的空间区域绕地球的由东朝西方向 流动的电流， 由地磁场捕获的低能质子维持。 环电流平静时位于 2.5～ 4RE 之间，磁暴时离地球稍远。磁平静时环电流总强度为 10 A 量级， 发生磁暴和亚暴时可增强几倍。 部分环电流 部分环电流是亚暴期间从等离子体片注入到辐射带的 粒子漂移所形成。它产生了地面磁场变化的不对称性。 场向电流 场向电流是在极光椭圆区沿磁力线流动的电流片。 场向电 流总体分为两区， 极侧称为 I 区电流， 基本流向是在晨侧流入电离层， 昏侧流出电离层；靠赤道一侧称 II 区电流，其流向与 I 区相反。场 向电流密度有明显的日变化。大部分时间内，I 区场向电流比 II 区 大。电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。