卫星磁场探测对行星偶极磁场参数的反演

Most planets in the solar system, e.g. Earth, Mercury, Jupiter etc., have a global dipole magnetic field which plays an important role in the planet’s evolution. The dipole field is believed to be originated from the interior dynamo processes. Therefore, the accurate estimation of the dipole field parameters, such as the dipole moment, are of great significance, not only to explore the planet’s evolution, but also to develop and refine the dynamo theory. Physically speaking, the dipole field is equivalent to be generated by a current loop inside the planet. Thus, the full parameters of dipole field include the position of loop center, the orientation of loop, the loop radius, and the loop current. Currently, the estimation of the dipole field is mainly based on the spherical harmonic analysis, which can only yields the dipole moment based on the assumptions that: 1. The detected magnetic field is potential field; 2. The loop radius can be ignored. In view of the restrictions of spherical harmonic analysis, in this project, we will try to develop a new technique, and apply it to the actual magnetic field measurement of planets e.g. Mercury, Earth etc. to derive the full parameters of planetary dipole field.

太阳系内的行星，譬如地球、水星、木星等，大多是含有全球偶极磁场的。行星偶极磁场当前认为起源于行星内部的发电机过程，因此通过卫星观测有效估算出行星偶极磁场的参数（如偶极场轴向、电流环半径、电流大小等），对于进一步探究行星的宇宙演化过程，发展或完善行星地磁发电机理论，具有非常重要的意义。偶极磁场从物理上而言，等效为电流环产生的磁场。所以，偶极磁场的参数包括了电流环的位置、环的轴向，环的半径，以及电流大小。当前，估算行星偶极磁场参数的方法大多都是基于传统的球谐展开分析法。球谐分析法暗含了两个假设：1.假定磁场为有势场。2. 电流环的半径无限小。且仅能得到磁偶极矩的大小和方向，并不能得到其他参量。基于此，本项目拟通过发展新的技术分析方法来推算出行星内部偶极磁场的完整参量，并把该方法应用到实际飞船对行星磁场的观测中（比如水星，地球），从而得到当前行星内部偶极磁场的几何参量。

基于外部磁场探测来发展行星偶极磁场反演新方法对于获取行星磁场内部磁源的几何分布特征，探究行星内部磁场发电机的真实物理信息具有非常重要的意义。.在本课题的资助下，基于偶极磁场源为电流环的物理假设下，我们发展出了一个全新的行星偶极磁场反演拟合新方法。该方法最大的特色就在于可将电流环的多个物理参数进行逐级剥离求解，避免了多参数同时拟合带来的数学困难。 对方法的测试和应用表明，该方法可实现对物理参数稳定、唯一的反演求解。对地磁场的初步应用表明，当前地磁场等效电流环半径为700公里左右，环心偏离地心500公里左右。该反演方法，可简化为偶极子模型算法，可推广到球面电流模型，也可推广到多偶极子模型情形。我们的反演方法对于地磁场，行星偶极磁场、古地磁长期变化等研究领域皆有较为广阔的应用前景。.另外，在本课题的资助下，我们对太阳系类地行星的空间环境，包括水星、金星、地球、火星也开展了科学研究，尤其在行星空间磁层磁场多尺度结构研究方面，也取得了一批有意义的科学成果,在各类国内外专业期刊杂志上发表论文23篇。这对于我们后续利用自主发展的新方法开展行星偶极磁场反演分析具有重要的参考价值。