地磁與空間物理資料的組織和相關(guān)坐標(biāo)系

【摘 要】本文設(shè)計了合適的坐標(biāo)系或選擇合適的函數(shù)族來組織觀測數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果、理論計算和數(shù)值模擬是至關(guān)重要的。以及本文將會通過討論地磁學(xué)和空間物理學(xué)中常用的20多個坐標(biāo)系，以探究相關(guān)坐標(biāo)系的基本設(shè)計思想及其與數(shù)據(jù)分析和參考系統(tǒng)選擇的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】坐標(biāo)系;地磁;空間物理;磁坐標(biāo);中心坐標(biāo)

【中圖分類號】G633.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）21-00-02

在適當(dāng)?shù)目茖W(xué)研究中，對于坐標(biāo)系的選取對實驗結(jié)果的得出或者實驗過程的化簡都是十分之有意義的。舉例而言，某種對于太陽系內(nèi)部坐標(biāo)如水星的坐標(biāo)的研究在隨機(jī)選取地球為坐標(biāo)系后，可能會出現(xiàn)對于實驗數(shù)據(jù)觀察不明顯以及采集困難等情況。而在太陽系中如果選取太陽為中心坐標(biāo)，便會不僅能夠?qū)τ谒巧踔翆τ谡麄€太陽系內(nèi)部的行星的相對位置街能夠做出較為準(zhǔn)確的判斷。

在坐標(biāo)系的選取過程中，適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系能夠使研究資料更為合理，其主要作用體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）合理的坐標(biāo)系能夠簡化數(shù)學(xué)表達(dá)式。球面坐標(biāo)往往能夠比直角坐標(biāo)對于物體絕對位置和相對位置的確定更為迅捷且鮮明，地球內(nèi)部的磁場如果把其當(dāng)做一個巨大的坐標(biāo)系的話，對于地球內(nèi)部磁場引力以及地磁位的球鞋表達(dá)式便能夠更為清楚地體現(xiàn)出其運(yùn)行的規(guī)律。

（2）減少變量的數(shù)目，彰顯本質(zhì)現(xiàn)象。舉例說明，在高中物理的學(xué)習(xí)中，對于力的合成與分解通常會選擇絕對垂直或者相對垂直的坐標(biāo)進(jìn)行后續(xù)的力的轉(zhuǎn)換工程，而如果坐標(biāo)系選取，如果在坐標(biāo)分解的過程中每一個方向的分坐標(biāo)都有分力，在后續(xù)的計算過程中便會大大影響計算過程，而如果選擇相對垂直的坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)系的確定，部分方向的力的分量便會變?yōu)?，大大簡化了計算過程。

（3）合理組織資料，有助于發(fā)現(xiàn)規(guī)律。較為合理的坐標(biāo)系選擇能夠更為行之有效地將坐標(biāo)進(jìn)行收集和整理過程，以及在日后的研究過程中，都是大有裨益的。針對地磁與空間而言，一方面其是計算科學(xué)，另外一方面其也是觀測科學(xué)。從研究資料中探究和發(fā)現(xiàn)規(guī)律往往是唯一的途徑。

一、正交曲線坐標(biāo)系的一般概念

（1）圓柱坐標(biāo)系

在圓柱坐標(biāo)系中，通常選取圓柱的中心軸為旋轉(zhuǎn)軸，而偏移的便宜角通常用λ表示，其比較能簡單且全面地表示出物體的相對坐標(biāo)。以及對應(yīng)的x軸和y軸的坐標(biāo)分別用物體到旋轉(zhuǎn)軸的直線距離乘以相應(yīng)的sin角或者cos角表示。

（2）球坐標(biāo)系

球坐標(biāo)系針對的情況較為特殊，假設(shè)所有物體距離球心的距離相等時，具體的計算方式便為整個球的半徑乘以相應(yīng)的偏移角。而地心球坐標(biāo)系便是天然的大型球坐標(biāo)系。在偏移角的確定過程中，需要將其便為二維平面，選擇地球的自轉(zhuǎn)軸以較為科學(xué)性地將物體表示為三級坐標(biāo)的形式。

（3）扁橢球坐標(biāo)系

在上述的研究過程中，假想的是地球為完整的球體，但事實上地球的軸半徑往往比赤道半徑要小，其為繞著某一自轉(zhuǎn)軌道同時進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的扁橢球。在進(jìn)行更為科學(xué)化嚴(yán)謹(jǐn)化的實驗以及調(diào)查中，將地球確定為扁橢球體對于坐標(biāo)的確定和后續(xù)的研究、借鑒過程是更有意義的。

（4）長橢球坐標(biāo)系

長橢球坐標(biāo)系實際上在計算和坐標(biāo)的確定中即為將橫豎坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)換，以及坐標(biāo)系整個要進(jìn)行左手坐標(biāo)和右手坐標(biāo)的反轉(zhuǎn)。在B-L坐標(biāo)系中，單頁回旋雙曲面的結(jié)合便為長橢球面，進(jìn)而進(jìn)行縱向坐標(biāo)的拉伸便能夠得到具有鮮明特點的長橢球坐標(biāo)系。

（5）橢球坐標(biāo)系

橢球坐標(biāo)系即為扁橢球坐標(biāo)系和長橢球坐標(biāo)系二者的結(jié)合，具有更為一般化的考量意義。橢球的定義為長軸、短軸和在長軸和短軸之間的每一段從球心到短點的距離都不相同。對于后續(xù)拉梅常數(shù)的確定也能夠更具有普適效應(yīng)。

二、地磁和空間物理坐標(biāo)系的設(shè)計與選擇

（1）地理坐標(biāo)類

地理坐標(biāo)系的應(yīng)用范圍最為廣泛，其中包括地心赤道慣性坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系在日常生活中為人人皆知的坐標(biāo)系，將x軸固定在赤道上方并將方向確定在格林尼治零度子午線，而地理坐標(biāo)系的z軸便為地球的自轉(zhuǎn)軸。

而地心赤道慣性坐標(biāo)系的x軸則指向春分時太陽的位置，從古沿用至今，對于歷史的研究以及古人對于時間的運(yùn)算等都具有較為完整的借鑒意義。

（2）地磁坐標(biāo)類

決定地磁場最為主要的因素為偶極子，而地磁偶極子在赤道上具有一定的分量。所以地磁坐標(biāo)和地理坐標(biāo)往往具有一定的偏角。在研究地磁坐標(biāo)系的過程中，地磁傾角緯度坐標(biāo)系也是研究過程中較為常見的坐標(biāo)系。磁力線在粗略的研究過程中能夠與等電位線等價處理，三個坐標(biāo)軸分別垂直于三個坐標(biāo)面。

（3）日心坐標(biāo)類

日心坐標(biāo)系在太陽系的研究過程中更為常見。舉例說明，幾世紀(jì)前對于行星的判斷，科學(xué)家認(rèn)為在太陽系中共有十大行星。但在后續(xù)的測量過程中，在冥王星在日心坐標(biāo)系的位置確定具體坐標(biāo)之后，經(jīng)過計算得出如下的結(jié)論：冥王星不應(yīng)在十大行星之列。日心坐標(biāo)系主要包括以下的三種：日心黃道坐標(biāo)系、日心地球黃道坐標(biāo)系以及日新地球赤道坐標(biāo)系。

（4）局地坐標(biāo)類

在局地坐標(biāo)系中，其主要是針對小范圍的的物體坐標(biāo)確定而設(shè)定。日常對于物體空間坐標(biāo)的三維描述分別為x軸、y軸以及z軸，但在據(jù)地坐標(biāo)系中通常用H軸（地磁向北的方向）、Y軸（地磁向東的方向）以及Z軸（垂直向下的方向）。當(dāng)自然風(fēng)對磁場的影響作用較少時，對于偶極磁場的控制作用便能夠通過局地坐標(biāo)進(jìn)行較為完整且深入的研究。

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作者簡介：吳奇;1986.06;男;漢族;籍貫：安徽省臨泉縣;學(xué)歷：博士;職稱：助教;研究方向：空間物理;單位：安徽省阜陽師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院。