主磁场加速度的时间-空间变化精细结构的研究

The origin of the geomagnetic main field and its secular variation is one of the leading scientific issues of the geophysics. The periodic geomagnetic secular variation reflects the status and the variation of the geodynamo. The recent magnetic observations of the satellite discover the existence of the 6-year periodic fluctuations in the secular variation. Such periodic signals can be associated with the zonal motions and the wave propagations of the outer core fluid flow. This type of the geomagnetic rapid changes is helpful to reveal the interaction between the fluid and the magnetic field, and identify various energy sources for the large length-scale flow in the outer core. In this project, we will develop the data merging method for the satellite and ground-based magnetic data, separate the temporal and the spatial changes of the main field, study the fine structure of the time-space variation of the geomagnetic secular acceleration, by the use of the global long-term geomagnetic observatory data, the CHAMP and SWARM satellite magnetic observations, and the CHAOS-4 core field model. We will also analyze the relation of the successive geomagnetic jerks systematically, and further inverse the models of the velocity and the acceleration of the outer core fluid flow. We hope to obtain the mechanisms for the rapid changes of the secular acceleration and the laws of the rapid variation of the geodynamo.

地球主磁场起源和长期变化是地球物理学的前沿科学问题之一，地磁长期变的周期性变化反映着地磁发电机的状态和变化。近期卫星观测发现地磁长期变中存在约6年周期波动，可能与地球外核带状运动和外核波动传播有关。这类主磁场快速变化有助于揭示流体与磁场的相互作用，认证外核大尺度流体运动的不同驱动能源。本项目将利用全球长期地磁台站数据、CHAMP和SWARM卫星数据、以及CHAOS-4主磁场长期变模型，发展卫星和地面地磁数据融合的新方法，分离主磁场的时间与空间变化，研究主磁场加速度的时间-空间变化的精细结构，系统分析多个连续地磁急变事件的相关性，进一步反演外核流体速度场和加速度场的分布模型，探索主磁场加速度的快速变化的产生机制，描述外核发电机的快速变化规律。

地球主磁场起源和长期变化是地球物理学的前沿科学问题之一，地磁长期变的周期性变化反映着地磁发电机的状态和变化。近期卫星观测发现地磁长期变中存在约6年周期波动，可能与地球外核流体的对流和波动传播现象有关。这类主磁场快速变化有助于揭示流体与磁场的相互作用，认证外核多尺度流体运动的不同驱动源。本项目利用全球长期地磁台站数据、CHAMP和SWARM卫星数据、以及CHAOS系列主磁场长期变模型，通过卫星和地面地磁数据融合新方法，主要完成了三点研究内容：（1）利用地面台站观测数据研究了2003年地磁急变事件在中国及邻近区域内的精细结构，研究结果发现中国区域内发生了2次地磁急变，其中2001年地磁急变在大多数台站均观测到，该事件具有东向传播的特征。这一结果有助于认识引起局部地磁急变事件的外核流体运动过程（2）结合地面观测、卫星磁测数据以及主磁场模型，系统分析了连续多个地磁急变事件的分布结构和相互关联性，研究了近20年主磁场加速度在核幔边界处的时间-空间变化精细结构，获取了不同经度扇区内主磁场加速度异常区的漂移和波动规律，这表明全球整体的主磁场加速度的快速变化可能是外核多个局部流体运动或波动现象的综合结果（3）采用全球地面台站数据研究了地磁场准两年周期变化的特征，证实了其来源于太阳风-磁层-电离层的耦合过程，这一研究结果有助于在地磁场模型中准确地分离内源、外源磁场。以上的研究结果对探索主磁场加速度的快速变化的产生机制，获取外核发电机的快速变化规律有很好的推动作用。