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海洋背景磁场数值模拟及东中国海上层海流磁场分布

张海滨  
【摘要】: 海水是一种弱导电介质,海洋中海浪、海流、内波等各种海洋现象的海水运行变化会切割地球磁场,并生成微弱的电场,进而就会在海洋内部和周围空间激发感生的电磁场,这就是约为地球磁场一万至十万分之一的微弱海洋电磁场。在航空探测中,当由各种海况所引起的综合的感应磁场噪声和与检测的目标噪声量级、频带相近时,这些噪声都是不可忽略的干扰源;在潜艇进行水下的目标检测、识别时,以及用于船舰本身消磁来抵消因地球磁场作用而产生的磁异常时,海洋的磁场噪声更是不可以忽视。因此建立海洋背景磁场的数值计算模型,分析海洋磁场的分布规律,为用磁异常探测飞机和潜艇等目标检测识别技术提供海洋背景磁场的理论参考是十分必要的。 一般来说,海洋中的磁场是多种磁场的叠加和相互作用造成的,其成分包括四个部分,即:(1)地球外核场;(2)地壳场;(3)地球电离层电流引起的磁场变化;(4)海水运动(海浪、海流、内波等)引起的电磁场等。其中第(1)、(2)、(3)部分组成地球磁场,第(4)部分通称为海洋背景磁场,主要是由于海水运动在地球磁场的作用下产生感应电流而引起的磁场。以速度V在地磁场B中运动的海水会产生传导电流J ,利用安培环路定律和法拉第电磁感应定律,结合海水运动的速度分布V ,即可计算感应磁场H。对运动海水的感应磁场H的计算主要难点在于对海水运动速度V分布的模拟和计算,对应不同的海洋现象,例如海浪、海流和内波,其V的运动方式不同,感应磁场也不同,因而需要分别加以讨论。 对于简单的海面波浪来说,任意点上的波面相对于时间呈简谐形式的周期性升降,而任意时刻的波面相对于空间呈现余弦或正弦形式的起伏,利用此特性可以对海浪运动进行建模,从而推导海浪的感应磁场。内波是海水出现跃层后在外力扰动下发生的重力波,海水以跃层面为平衡位置波动,根据内波的速度分布可以推导出内波的感应磁场。对于海流感应磁场建立以下模型:首先将海流块分成若干不同的薄层,每一层可以看作由若干细长的海流细条联合而成;如同导线在地磁场中运动一样,细条海流在地磁场中的运动引起电场,从而产生了感应磁场。在水平方向和垂直方向上对感应磁场进行积分,即可得到海流块在地磁场中运动时的感应磁场。海浪、内波和海流的感应磁场组成了海洋背景磁场。 本论文针对海洋背景磁场的生成机制及近几十年来对海洋背景磁场的理论研究,结合世界磁场模型WMM2005,模拟计算了三种典型的海洋运动——海浪、海流、内波所产生的感应磁场,建立了海洋背景磁场的数值计算模型,并在此基础上设计开发了海洋背景磁场的模拟计算软件。最后用卫星多传感器资料驱动普林斯顿海洋动力学模式(POM)得到的东中国海2005年海洋环流数据,模拟计算了东中国海海表层磁场月平均分布,并选取部分海域,模拟计算了各海域2005年12个月的洋流感应磁场变化,对其磁场变化与分布规律作了简要分析。最后结合2008年青岛奥运帆船赛场的海浪和海流实测数据,利用海洋背景磁场软件对赛场海域的感应磁场进行了计算。


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