地磁與空間物理資料的組織和相關坐標系

【摘 要】本文設計了合適的坐標系或選擇合適的函數族來組織觀測數據，實驗結果、理論計算和數值模擬是至關重要的。以及本文將會通過討論地磁學和空間物理學中常用的20多個坐標系，以探究相關坐標系的基本設計思想及其與數據分析和參考系統選擇的關系。

【關鍵詞】坐標系;地磁;空間物理;磁坐標;中心坐標

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

在適當的科學研究中，對于坐標系的選取對實驗結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，某種對于太陽系內部坐標如水星的坐標的研究在隨機選取地球為坐標系后，可能會出現對于實驗數據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，便會不僅能夠對于水星甚至對于整個太陽系內部的行星的相對位置街能夠做出較為準確的判斷。

在坐標系的選取過程中，適當的坐標系能夠使研究資料更為合理，其主要作用體現在如下幾個方面：

（1）合理的坐標系能夠簡化數學表達式。球面坐標往往能夠比直角坐標對于物體絕對位置和相對位置的確定更為迅捷且鮮明，地球內部的磁場如果把其當做一個巨大的坐標系的話，對于地球內部磁場引力以及地磁位的球鞋表達式便能夠更為清楚地體現出其運行的規律。

（2）減少變量的數目，彰顯本質現象。舉例說明，在高中物理的學習中，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進行后續的力的轉換工程，而如果坐標系選取，如果在坐標分解的過程中每一個方向的分坐標都有分力，在后續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進行坐標系的確定，部分方向的力的分量便會變為0，大大簡化了計算過程。

（3）合理組織資料，有助于發現規律。較為合理的坐標系選擇能夠更為行之有效地將坐標進行收集和整理過程，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，另外一方面其也是觀測科學。從研究資料中探究和發現規律往往是唯一的途徑。

一、正交曲線坐標系的一般概念

（1）圓柱坐標系

在圓柱坐標系中，通常選取圓柱的中心軸為旋轉軸，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。以及對應的x軸和y軸的坐標分別用物體到旋轉軸的直線距離乘以相應的sin角或者cos角表示。

（2）球坐標系

球坐標系針對的情況較為特殊，假設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的偏移角。而地心球坐標系便是天然的大型球坐標系。在偏移角的確定過程中，需要將其便為二維平面，選擇地球的自轉軸以較為科學性地將物體表示為三級坐標的形式。

（3）扁橢球坐標系

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，其為繞著某一自轉軌道同時進行自轉和公轉的扁橢球。在進行更為科學化嚴謹化的實驗以及調查中，將地球確定為扁橢球體對于坐標的確定和后續的研究、借鑒過程是更有意義的。

（4）長橢球坐標系

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

（5）橢球坐標系

橢球坐標系即為扁橢球坐標系和長橢球坐標系二者的結合，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。對于后續拉梅常數的確定也能夠更具有普適效應。

二、地磁和空間物理坐標系的設計與選擇

（1）地理坐標類

地理坐標系的應用范圍最為廣泛，其中包括地心赤道慣性坐標系和地理坐標系。地理坐標系在日常生活中為人人皆知的坐標系，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，而地理坐標系的z軸便為地球的自轉軸。

而地心赤道慣性坐標系的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算等都具有較為完整的借鑒意義。

（2）地磁坐標類

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。所以地磁坐標和地理坐標往往具有一定的偏角。在研究地磁坐標系的過程中，地磁傾角緯度坐標系也是研究過程中較為常見的坐標系。磁力線在粗略的研究過程中能夠與等電位線等價處理，三個坐標軸分別垂直于三個坐標面。

（3）日心坐標類

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

（4）局地坐標類

在局地坐標系中，其主要是針對小范圍的的物體坐標確定而設定。日常對于物體空間坐標的三維描述分別為x軸、y軸以及z軸，但在據地坐標系中通常用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）。當自然風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進行較為完整且深入的研究。

參考文獻

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作者簡介：吳奇;1986.06;男;漢族;籍貫：安徽省臨泉縣;學歷：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物理與電子工程學院。