天然电磁场

2025-02-09 04:00:27

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回答1：

对地球磁场的长期观测表明，除稳定的基本磁场外，不仅有极其缓慢的长期变化，还有各种不同类型的变化磁场。变化磁场主要来源是地球的外部，它具有较宽的频谱，其周期大约为10-5～107s，振幅却较基本磁场小得多，一般是基本磁场的百分之几到千分之几。

（一）变化磁场的类型

第三章已经讲过，变化磁场分为具有一定周期性的平静变化和无周期性的干扰变化。其中平静变化是经常出现的，具有明显的周期性，其周期又和一些行星之间相对运行的周期有着对应关系，如有太阳日、月、年变化及周期为11a的变化。干扰变化的出现常有随机性，主要有地磁脉动、磁湾、磁暴等形式，它们都与太阳辐射密切相关。其中地磁脉动是指周期为几秒到几分钟的近正弦振动。较稳定的脉动常可延续30min到数小时，强度在极区比中纬度地区略强，出现的时间多为白天。不稳定的脉动有多种，形式各异。磁湾是以波形像海湾而得名，常出现于地方时零点左右，每隔3～4d出现一次，延续约1～ 2h，幅值可达几纳特。磁暴强度最大，每年约出现10次左右，其强度最大时可达500nT 以上，强度较小时也达150～300nT，可延续2～3d。磁暴期间的磁场常伴有频谱丰富，且强度大的扰动。此外，实际观测中还发现有与雷雨放电作用及各种工业用电有关的高频脉冲。

（二）天然电磁场的特点及变化规律

地球变化电磁场的一个突出特点是具有随机性，也就是说在一个固定观测点上，电磁场的强度、频率和方向都随时间而变化。另一个特点是某一瞬间在几百平方千米或更大的范围内，场的强度和频率均可互相对比，这说明在该范围内地球的变化电磁场具有同源性。此外，谐变性也可以认为是地球变化电磁场的又一特点，即场的大部分振动具有谐变特点，有时是以一种频率为主，大部分是许多谐波的叠加。

虽然天然电磁场具有随机性，但仍存在一定的规律性。首先是场的强度随频率的不同呈规律性变化，即以周期为1s的场强为最小，周期大于1s和小于1s的，其强度有明显增加的趋势。此外，天然电磁场的强度随时间的变化也有一定的规律性，如夏季较冬季强（北半球），白天比夜间强，而一天中又以地方时12时最强。

（三）天然电磁场的成因

从天然电磁场的特点和变化规律看出，电磁场与日、地关系密切，与太阳活动有关。目前认为，主要是受太阳的粒子辐射和电磁辐射的影响。

太阳的粒子辐射是一系列高能带电体，它们以每秒300～800km的速度射向地球，通常称之为太阳风。当太阳风靠近地球时，在地磁场作用下，不同电性的带电粒子向相反方向偏转，在2～10倍地球半径的高度上，围绕地球形成电流，这种电流产生的磁场将使地磁场磁力线在向太阳一面被压缩，而在背太阳一面则被拉长，同时该电流形成了地磁场边界，即所谓的磁层。由于粒子辐射的不稳定性，也就是太阳风的波动，使磁层有一定的涨落，再加上地球本身的自转，于是不仅形成了地球表面上所观测到的各种类型的变化电磁场，同时也显示出变化电磁场与地球自转、公转的时间关系。

太阳的电磁辐射也是产生地球电磁场的原因。太阳的电磁辐射包括可见光、紫外线、红外线等一系列电磁波。受太阳紫外线的电离作用，在地球外约60～80km以上的高空形成电离层。电离层受太阳光的辐射加热作用和潮汐效应，引起导电电离层上下及左右的运动，使它在地磁场作用下形成了电离层中的电流体系，于是也就产生了地球电磁场。

除了上述原因外，来源于赤道附近的区域性大雷雨，也是地球电磁场的一个成因。目前认为1Hz以上的高频电磁场就是雷电引起的。雷电的电磁能量可以从数千米之外，经地面和电离层之间的多次反射而传播到地表观测点。在传播过程中，某些频率受到抑制，而另一些频率则因谐振而保持较强的能量。如与赤道附近大雷雨有关的每秒8周的振动，就可以在地球上很广阔的地区内观测到。此外，频率在15～35kHz之间的海军通讯电台的电磁场，以及大型工、矿企业用电接地产生的50Hz左右的电磁场都是地表观测到的电磁场的一部分。

（四）天然电磁场在均匀介质中的传播

根据天然电磁场的特点，目前认为在一般地质研究的观测范围内，天然电磁场可视为是垂直入射于地表的平面谐变电磁波。该平面波在均匀导电介质中，任一瞬间电场E和磁场H都平行于地面，且两者相互垂直，也就是波的前进方向与垂直于地面的z轴一致，波面与x轴、y轴所在的地平面平行，在该直角坐标系中，E_z和H_z都等于零，若设E与 x方向一致，则H必与y方向一致，那么描述电磁场变化的波动方程就不难得到其表达式，现以电场的解为例简要分析电磁场的传播规律，电场的解为

勘探地球物理教程

式中：E_x0为地表电场的初始振幅；e^iωt表示场是谐变的，其随时间的变化规律是以2π为周期；e^-az表示场的振幅沿z方向按指数规律衰减，当电磁场传播距离z＝1/α时，其振幅值衰减为地表场值的1/e。通常定义该传播深度为场的穿透深度（亦称趋肤深度），并以δ 表示，即δ＝1/α。当z→∞时，场的幅值将趋近于零，这是因为电磁场在导电介质中传播时，必然在其中产生感应电流，造成能量的热损耗，也可以认为这就是介质对电磁能量的吸收，因此又称α为吸收系数。在导电、无磁性介质中，穿透深度可具体表示为

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式中：ρ以Ω·m为单位，f以Hz为单位。显然δ是随频率f的减小和介质电阻率的增加而加大，这一传播规律为利用天然电磁场研究不同深度的地电结构提供了依据。

此外，式（4-8）中的e^βz项表示场的相位随深度z的变化，当z＝2π/β时，电磁波的相位改变2π，此距离即为波长λ，并称β为相位系数。在导电、无磁性介质中波长λ的表达式为

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式中：ρ以Ω·m为单位，f以Hz为单位。

综上所述，电磁波在导电介质中传播时，其振幅是不断衰减的，当场的频率一定时，介质的电阻率越小，场的衰减越快；而当介质电阻率一定时，频率越低，场的衰减越慢。

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