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磁偏角（磁子午圈同地理子午圈的夾角）

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磁偏角

磁子午圈同地理子午圈的夾角

磁偏角是指地球表面任一點的磁子午圈同地理子午圈的夾角。因指南針、磁羅盤是測定磁偏角最簡單的裝置，所以磁偏角的發(fā)現(xiàn)和測定的歷史也很早。1702年，英國埃德蒙多·哈雷發(fā)表了第一幅大西洋磁偏角等值線圖。根據(jù)規(guī)定，磁針指北極N向東偏則磁偏角為正，向西偏則磁偏角為負。磁偏角'是指磁針靜止時，所指的北方與真正北方的夾角。我國北宋學(xué)者沈括在《夢溪筆談》中，記載了地磁的南北極與地理的南北極并不完全重合，存在磁偏角。

基本信息

中文名	磁偏角
提出時間	1581年
應(yīng)用學(xué)科	測繪學(xué)
提出者	羅伯特·諾曼
外文名	Magnetic declination
最早提出者	沈括

收起

介紹

磁偏角

沈括在《夢溪筆談》中記載與驗證了磁針“常微偏東，不全南也”的磁偏角現(xiàn)象，比西歐記錄早 400年。英國人羅伯特·諾曼（Robert Norman）發(fā)現(xiàn)一根磁針用繩子在半中間吊起來，跟水平形成一偏角，他將這稱為磁偏角。1581年，他在自己的《新奇的吸引力》一書中發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。各個地方的磁偏角不同，而且，由于磁極也處在運動之中，某一地點磁偏角會隨時間而改變。許多海洋動物可以感應(yīng)到磁偏角并利用它來識途。

磁偏角是磁場強度矢量的水平投影與正北方向之間的夾角，變即磁子午線與地理子午線之間的夾角。如果磁場強度矢量的指向偏向正北方向以東稱東偏，偏向正北方向以西稱西偏。磁偏角可以用磁偏測量儀測出來。磁偏角的度數(shù)是測量出來的，不是計算出來的。

地磁要素

在繪圖時，將此前對磁偏角的實際測量值標在地圖（特別是海圖，普通地圖標磁偏角的少）上。當(dāng)然，磁偏角的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，我國東部地區(qū)磁偏角為西偏，甘肅酒泉以西多為東偏。

地磁極是接近南極和北極的，但并不和南極、北極重合，一個約在北緯72°、西經(jīng)96°處；一個約在南緯70°、東經(jīng)150°處。磁北極距地理北極大約相差1500km.

在一天中磁北極的位置也是不停的變動，它的軌跡大致為一橢圓形，磁北極平均每天向北移40m。磁北極大約于2005年進入俄羅斯境內(nèi)。在我國，正常情況下，磁偏角最大可達6度，一般情況為2-3度。地圖的方向：上北、下南、左西、右東是大多數(shù)地圖的方向，但這可不是通用原則，如果地圖上有方向標，可以通過方向標了解到這些。磁偏角還是不斷有規(guī)律變化的，地圖上的磁偏角只是測圖時的磁偏角（磁北比真北偏右，加上磁偏角；磁北比真北偏左，減去磁偏角；在我國一般是減去）。使用地圖本身所注的磁偏角要注意出版年限，地圖太老誤差較大。

計算方法

關(guān)于用經(jīng)緯度計算距離：在地球赤道上環(huán)繞地球一周走一圈共40075.04公里而一圈分成360°，1°為60′，每一度一秒在赤道上的長度計算如下：

而每一分又有60秒，每一秒就代表

任意兩點距離計算公式為：

其中A點經(jīng)度，緯度分別為

和

，B點的經(jīng)度、緯度分別為

和

，d為距離。

至于比例尺計算簡單地說，也就是

1.不同的地方地磁偏角也不同！

2.正常情況下，我國磁偏角最大可達6度，一般情況為2-3度

3.東經(jīng)25度地區(qū)，磁偏角在1-2度之間；北緯25度以上地區(qū)，磁偏角大于2度；若在西經(jīng)低緯度地區(qū)，磁偏角是5-20度；西經(jīng)45度以上，磁偏角為25-50度，在我國，正常情況下，磁偏角最大可達6度，一般情況為2-3度。

地球磁場是在不斷變化的。它有長期變化和短期變化。地球磁場的短期變化部分，即上述的地球變化磁場；除去短期變化部分，便是地球基本磁場，即上述的偶極磁場。地磁要素的長期變化，來源于地球內(nèi)部的物質(zhì)運動。它首先表現(xiàn)為地磁場的向西漂移。例如，0°磁偏線與赤道的交點，近400年來已西移95°。其次，磁場強度有穩(wěn)定的衰減，近百年來，基本磁場強度衰減了5%。如果照此速度繼續(xù)衰減下去，那么，基本磁場將會在2千年后消失。另外，磁極也在移動，如地磁北極的緯度逐年遞增0.004°；其經(jīng)度每年向西增加0.007°。

關(guān)于分類

磁偏角

地磁要素的短期變化，來源于電離層及太陽活動的影響，變化形態(tài)比較復(fù)雜，分平靜變化和干擾變化。平靜變化是經(jīng)常性和周期性的變化，有太陽日變化、太陰日變化和季節(jié)變化。來自太陽的帶電粒子，影響地球大氣電離層的狀況，從而造成各地的磁場以太陽日為周期的變化。地磁強度的水平分量的太陽日變化，可達

，約為水平分量的0.5%；地磁偏角的變化可達10′。月球?qū)τ诘厍虼髿獾?/span>潮汐作用，使得一部分大氣以太陰日為周期，運行于地球各部分之間。這種變化包括大氣電離層的變化，因而造成各地磁場以太陰日為周期的變化。它的變化幅度很小，磁場強度水平分量的變幅只有千分之幾μT，約為水平分量的0.05%；地磁偏角的變幅不到40″。太陽直射點的南北移動，以及隨之而來的太陽輻射能在地球上的分布的季節(jié)變化，造成地磁要素的太陽日變化的幅度因季節(jié)而變化。一般地說，夏季太陽日變化的幅度較大，冬季較小。

地磁要素的干擾變化要復(fù)雜得多。小的干擾多半是區(qū)域性的，次數(shù)頻繁，變幅很小。大的干擾是全球性的，次數(shù)較少，平均每年10次左右，變化幅度較大。特大的干擾稱磁暴。磁暴發(fā)生時，磁針不安地擾動不止；在幾小時到幾日內(nèi)，磁場強度的變化可達十分之幾甚至幾個μT。磁暴的發(fā)生與太陽活動直接相關(guān)。來自太陽的高能粒子，不僅干擾地球磁場，同時破壞大氣電離層結(jié)構(gòu)，中斷無線電通訊，高緯度地區(qū)出現(xiàn)極光。

各地磁偏角

地名-磁偏角：

漠河11°00' w

齊齊哈爾9°54'w

哈爾濱9°39'w

長春8°53'w

滿洲里8°40'w

沈陽7°44'w

旅順6°35'w

北京5°50'w

天津5°30'w

濟南5°01'w

呼和浩特4°36'w

徐州4°27'w

上海4°26'w

太原4°11'w

包頭4°03'w

南京4°00'w

合肥3°52'w

鄭州3°50'w

杭州3°50'w

許昌3°40'w

九江3°03'w

武漢2°54'w

南昌2°48'w

銀川2°35'w

臺北2°32'w

西安2°29'w

長沙2°14'w

贛州2°01'w

衡陽1°56'w

廈門1°50'w

蘭州1°44'w

重慶1°34'w

遵義1°26'w

西寧1°22'w

桂林1°22'w

貴陽1°17'w

成都1°16'w

廣州1°09'w

柳州1°08'w

東沙群島1°05'w

昆明1°00'w

南寧0°50'w

湛江0°44'w

憑祥0°39'w

海口0°29'w

拉薩0°21'w

珠穆朗瑪0°19'w

西沙群島0°10'w

曾母暗沙0°24'e

南沙群島0°35'e

烏魯木齊2°44'e

原理與方法

海島礁磁偏角測量

研究背景

磁偏角作為重要的海洋地理環(huán)境要素，已廣泛應(yīng)用于船載磁羅經(jīng)、海流計、水下機器人(AUV)、自航式水雷等，是諸多海洋儀器正常發(fā)揮效能的基礎(chǔ)信息。由于地磁導(dǎo)航具有簡便、廉價、可靠、最不易受干擾等特點，是人類應(yīng)用最早最普遍的定位定向系統(tǒng)，在早期航海史上發(fā)揮了極其重要的作用。即使在衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)高度發(fā)達的現(xiàn)代，世界各國航空航海領(lǐng)域一直把地磁導(dǎo)航作為必備的導(dǎo)航方法。當(dāng)前軍民航海圖上，磁偏角是不可或缺的基本要素，但是，磁偏角測量是我國海洋環(huán)境探測領(lǐng)域一項技術(shù)空白，軍民航海圖上標注的磁偏角均不是實地測量值，而是通過低分辨率的外版地磁圖轉(zhuǎn)繪生成的。

磁偏角測量主要采用兩種方式：一是固定地磁臺站的長期連續(xù)跟蹤觀測，二是野外流動測點的不定期測量。由于固定地磁臺站選址和基建標準很高，不適宜建設(shè)太多，所以少量地磁臺站和大量野外測點相結(jié)合，是地磁場測量的最佳模式。我國有100多個地磁臺，包括30多個儀器配置齊全、觀測條件和環(huán)境較好的基準地磁觀測臺站，具有測震、地磁、地電、GPS、重力、形變、井下觀測等多種地球物理觀測手段。其他臺站是以地震預(yù)報為主要服務(wù)對象的區(qū)域性地磁觀測臺站。由國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(IAGA)主持運行的國際地磁觀測臺網(wǎng)(INTERMAGNET)包括約133個地磁臺站，其中包括我國的北京站、長春站、肇慶站、蘭州站、烏魯木齊站共5個固定臺站。海島礁附近的地磁場由于受海底地形、海底巖石性質(zhì)、海底地質(zhì)構(gòu)造和洋流等影響，往往與正常的地磁場存在較大差異，如何準確高效測定海島礁附近的磁偏角，是非常重要的基礎(chǔ)性海洋測繪工作。

測量原理

圖1 磁偏角測量示意圖

地磁要素中，磁偏角的觀測歷史是最早的。磁偏角測量儀器不同，其測量原理也不同。最初的磁偏角測量儀器是指南針。通過指南針確定真北方向和磁北方向的位置，計算二者之間的夾角，就是磁偏角。現(xiàn)代磁偏角測量一般采用地磁經(jīng)緯儀，其測量原理見圖1，首先需要在實地勘選兩個相互通視的點，組成觀測基線，其中一點用于架設(shè)觀測儀器，稱為觀測點，另外一點用于標定方向，稱為方位點。測點勘選和標石埋設(shè)完成后，首先采用GNSS或者天文觀測方法，測定觀測基線的真方位角α，然后采用專門的磁偏角測量儀器測定觀測基線的磁方位角，二者相減可得觀測基線的磁偏角，即：

從式可知，磁偏角測量工作實際上包括兩部分：真方位角測量和磁方位角測量，二者缺一不可。其中測定觀測基線的真方位α是磁偏角測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，當(dāng)前一般通過GPS方法，測定觀測基線兩端點的坐標，通過軟件解算求出觀測基線的真方位角。但要求觀測基線長度必須大于200m。測定磁方位角α的測量儀器稱為地磁經(jīng)緯儀，因其可同時測定測點附近的磁偏角D和磁傾角I，又稱DI儀。

作為專門的磁偏角測量儀器，地磁經(jīng)緯儀的構(gòu)成主要包括三部分：

(1)光學(xué)經(jīng)緯儀：采用無磁材料制造的光學(xué)經(jīng)緯儀，用于基線方向瞄準和磁方位角的讀取；

(2)磁通門磁力儀探頭：加裝光學(xué)望遠鏡上，要求其軸向與光學(xué)望眼鏡軸向嚴格平行，用于確定磁子午面的位置；

(3)檢零器：與磁通門探頭連接，用于檢測磁通門探頭的輸出電壓，當(dāng)檢零器上的輸出電壓值為零時，標志磁通門探頭軸線垂直于地磁場方向，據(jù)此確定地磁場方向的位置。

采用地磁經(jīng)緯儀進行磁偏角測量時，也能同時測定磁傾角。另外為完整了解測點附近的地磁場矢量，一般還需采用總強度磁力儀測定地磁場總強度的標量值。磁偏角D和磁傾角I的計量單位是(°、'、″)，總強度的計量單位為納特(nT)。海島礁磁偏角測量設(shè)備在國內(nèi)外均能生產(chǎn)，其中國產(chǎn)MDI型地磁經(jīng)緯儀的度盤最小刻劃為1'，工作溫度－10℃～40℃，G856型質(zhì)子旋進總強度磁力儀的測量范圍為20000～70000nT，分辨率優(yōu)于0.1nT，絕對精度優(yōu)于0.5nT，采樣周期6s，主機尺寸18cm×27cm×9cm，重量1.6kg，探頭尺寸9cm×13cm，探頭重量1.2kg。

不同磁力儀存在明顯的儀器誤差，為把不同磁力儀的測量結(jié)果歸算到某一共同基準，在每年出測之前和收測之后，需到國家基準地磁臺對DI儀和總強度磁力儀進行比測，計算絕對儀器誤差和相對儀器誤差。如遇儀器故障需及時更換，也需對新儀器進行比測，確定其儀器誤差。總強度磁力儀比測時應(yīng)獨立進行2次以上，兩次比測得到的儀器絕對誤差的互差不得大于0.5nT。地磁經(jīng)緯儀的構(gòu)造特點是，在無磁經(jīng)緯儀的望遠鏡上固化一個磁通門傳感器。該磁通門探頭通過嚴格調(diào)校，其軸向與望遠鏡軸線保持一致。采用地磁經(jīng)緯儀進行磁方位角測量，實質(zhì)是通過地磁經(jīng)緯儀的無磁經(jīng)緯儀、磁通門磁力儀探頭和檢零器的相互配合，根據(jù)檢零器的輸出，確定磁子午面的位置。當(dāng)經(jīng)緯儀照準部旋轉(zhuǎn)時，磁通門探頭與地磁場磁力線夾角隨之不斷變化，由此導(dǎo)致檢零器輸出的電壓發(fā)生相應(yīng)變化，見圖2。顯然，當(dāng)?shù)卮艌龇较蚺c無磁經(jīng)緯儀望遠鏡垂直時，檢零器輸出為零，據(jù)此確立地磁場的方向。

圖2 檢零器電壓輸出曲線

磁偏角測量時，在觀測點上安置地磁經(jīng)緯儀，對準整平以后，轉(zhuǎn)動望遠鏡精確瞄準方位點上的覘標，讀取此時的水平度盤讀數(shù)m；然后將地磁經(jīng)緯儀的望遠鏡置于水平狀態(tài)，順時針轉(zhuǎn)動照準部，同時注意觀測點附近檢零器；當(dāng)照準部旋轉(zhuǎn)到某個位置時，檢零器上的讀數(shù)為零，鎖定照準部，讀取此時的水平度盤讀數(shù)m。這時表示磁通門傳感器的方向垂直于地磁子午面，水平度盤位置m±90°就是磁北方向所在的磁子午面，不難得出基線方向與磁子午面方向的夾角，即磁方位α為：

式中，α為磁方位角；m為磁卯酉面的度盤讀數(shù)；m±90°為磁北方向的度盤讀數(shù)；m為觀測基線方向的度盤讀數(shù)。

研究結(jié)論

國內(nèi)海島礁磁偏角測量原理、方法和儀器等主要技術(shù)環(huán)節(jié)均初步引用陸上野外流動地磁測量模式。本文簡單介紹了國內(nèi)當(dāng)前海島礁磁偏角測量的原理、作業(yè)方法、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)處理和精度要求等實際情況，由此可知，雖然磁偏角測量原理較為簡單，但工作過程較為繁瑣。特別是高溫、高濕、高鹽、多霧、多風(fēng)等海島礁特殊作業(yè)環(huán)境，使剛剛起步的我國海島礁磁偏角測量工作面臨許多難以預(yù)測的新問題，當(dāng)前主要是測點勘選比較困難，觀測基線距離一般難以滿足要求，為此需要在當(dāng)前模式的基礎(chǔ)上，對作業(yè)儀器和方法進行大量適用性改進。只有通過不斷實踐積累，才能形成較完整的海島礁磁偏角測量技術(shù)能力。

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