在海洋电磁场研究中,地磁场是一个不容忽视的重要因素。地球是一个天然磁石,它的两极各自在地理的两极附近,因而把地球上的磁场叫作地磁场。地磁场成因有地球自转、内部电流等多种学说,但目前还没有确定的论据。地磁场是一个弱磁场,在全球各处有明确分布,平均磁感应强度为0.5×10-4 T,在广阔的海洋中也不例外。地磁场是由各种不同来源的磁场叠加构成的。按其性质可把地磁场BT区分为两大部分:一部分是主要来源于地球内部的稳定磁场,另一部分是主要起源于地球外部的变化磁场γBT,即
其中变化磁场比稳定磁场弱得多,最大变化也只占地磁场感应强度的2%~4%,因此稳定磁场是地磁场的主要部分。地磁场主要来源分类如图1.2所示。
前文提及,作为一定程度的导体,海水的不断运动势必不断切割地磁磁力线,从而产生电流和相关磁场、电场、电荷等,也就造成了所谓的水动力磁场(HM)效应,这种效应的发生是借助电磁场理论研究海洋的重要基础。因此在海洋中,除了上述提到的地球稳定磁场和变化磁场,还存在由于水动力磁场效应产生的不同于陆地磁场的成分——海洋磁场(BOM)。这里稍作解释,详细内容请参阅有关文献。
图1.2 地磁场主要来源及产生机理
海水运动切割地球磁场的磁力线,产生感应电场,考虑流体介质的类型和外部磁场的幅值,这里不考虑压力波的磁阻尼,得到如下公式:
式中 v0——海水介质流速,·B=0,B在边界处连续。
感应电流密度J可以表示为
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式中 σ——海洋海水电导率。
对于低频来说,式(1.9)和式(1.10)中的时间导数可以忽略,由于海水运动产生的感应电流密度可以描述为
式中 B⊥——地磁场垂直分量。
计算表明,海流、海浪诱发的海水中的电流密度最大可以达到6~10 mA/m2。由此可见,运动的海水切割地磁场,产生了感应电流,感应电流作为场源,会产生新的磁场和电场。
注意到由于海流的运动客观上造成了磁源的运动,使得磁场随着流体机械波的扩散似乎具有了向远处传播的性质,这类水动力磁场的传播又被称为伪传播。之所以称为伪传播,是因为这种磁场的传播实际上并非磁源发出的电磁信号在空间的扩散,而是由于引发电磁场的场源以机械波形式向远处运动而造成的。
由于这部分磁场主要是海水以各种形式不断运动切割地球磁力线引起的,这种磁场被定义为海洋磁场(ocean magnetic field,OM)。海洋磁场的存在事实上构成了海洋电磁场的大部分海洋环境自然场源,如海流电磁场、海浪电磁场、内波电磁场等。因此在海洋中磁场可表示为
理论分析和实测表明,海洋磁场量值较小,因此由这部分磁场造成的二次感应场效应在研究中可以忽略。但海洋磁场是研究海洋的主要信息源,也构成了在海洋中开展目标探测和识别的主要干扰源。
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