地磁与空间物理资料的组织和相关坐标系

【摘 要】本文设计了合适的坐标系或选择合适的函数族来组织观测数据，实验结果、理论计算和数值模拟是至关重要的。以及本文将会通过讨论地磁学和空间物理学中常用的20多个坐标系，以探究相关坐标系的基本设计思想及其与数据分析和参考系统选择的关系。

【关键词】坐标系;地磁;空间物理;磁坐标;中心坐标

【中图分类号】G633.1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）21-00-02

在适当的科学研究中，对于坐标系的选取对实验结果的得出或者实验过程的化简都是十分之有意义的。举例而言，某种对于太阳系内部坐标如水星的坐标的研究在随机选取地球为坐标系后，可能会出现对于实验数据观察不明显以及采集困难等情况。而在太阳系中如果选取太阳为中心坐标，便会不仅能够对于水星甚至对于整个太阳系内部的行星的相对位置街能够做出较为准确的判断。

在坐标系的选取过程中，适当的坐标系能够使研究资料更为合理，其主要作用体现在如下几个方面：

（1）合理的坐标系能够简化数学表达式。球面坐标往往能够比直角坐标对于物体绝对位置和相对位置的确定更为迅捷且鲜明，地球内部的磁场如果把其当做一个巨大的坐标系的话，对于地球内部磁场引力以及地磁位的球鞋表达式便能够更为清楚地体现出其运行的规律。

（2）减少变量的数目，彰显本质现象。举例说明，在高中物理的学习中，对于力的合成与分解通常会选择绝对垂直或者相对垂直的坐标进行后续的力的转换工程，而如果坐标系选取，如果在坐标分解的过程中每一个方向的分坐标都有分力，在后续的计算过程中便会大大影响计算过程，而如果选择相对垂直的坐标进行坐标系的确定，部分方向的力的分量便会变为0，大大简化了计算过程。

（3）合理组织资料，有助于发现规律。较为合理的坐标系选择能够更为行之有效地将坐标进行收集和整理过程，以及在日后的研究过程中，都是大有裨益的。针对地磁与空间而言，一方面其是计算科学，另外一方面其也是观测科学。从研究资料中探究和发现规律往往是唯一的途径。

一、正交曲线坐标系的一般概念

（1）圆柱坐标系

在圆柱坐标系中，通常选取圆柱的中心轴为旋转轴，而偏移的便宜角通常用λ表示，其比较能简单且全面地表示出物體的相对坐标。以及对应的x轴和y轴的坐标分别用物体到旋转轴的直线距离乘以相应的sin角或者cos角表示。

（2）球坐标系

球坐标系针对的情况较为特殊，假设所有物体距离球心的距离相等时，具体的计算方式便为整个球的半径乘以相应的偏移角。而地心球坐标系便是天然的大型球坐标系。在偏移角的确定过程中，需要将其便为二维平面，选择地球的自转轴以较为科学性地将物体表示为三级坐标的形式。

（3）扁椭球坐标系

在上述的研究过程中，假想的是地球为完整的球体，但事实上地球的轴半径往往比赤道半径要小，其为绕着某一自转轨道同时进行自转和公转的扁椭球。在进行更为科学化严谨化的实验以及调查中，将地球确定为扁椭球体对于坐标的确定和后续的研究、借鉴过程是更有意义的。

（4）长椭球坐标系

长椭球坐标系实际上在计算和坐标的确定中即为将横竖坐标进行调换，以及坐标系整个要进行左手坐标和右手坐标的反转。在B-L坐标系中，单页回旋双曲面的结合便为长椭球面，进而进行纵向坐标的拉伸便能够得到具有鲜明特点的长椭球坐标系。

（5）椭球坐标系

椭球坐标系即为扁椭球坐标系和长椭球坐标系二者的结合，具有更为一般化的考量意义。椭球的定义为长轴、短轴和在长轴和短轴之间的每一段从球心到短点的距离都不相同。对于后续拉梅常数的确定也能够更具有普适效应。

二、地磁和空间物理坐标系的设计与选择

（1）地理坐标类

地理坐标系的应用范围最为广泛，其中包括地心赤道惯性坐标系和地理坐标系。地理坐标系在日常生活中为人人皆知的坐标系，将x轴固定在赤道上方并将方向确定在格林尼治零度子午线，而地理坐标系的z轴便为地球的自转轴。

而地心赤道惯性坐标系的x轴则指向春分时太阳的位置，从古沿用至今，对于历史的研究以及古人对于时间的运算等都具有较为完整的借鉴意义。

（2）地磁坐标类

决定地磁场最为主要的因素为偶极子，而地磁偶极子在赤道上具有一定的分量。所以地磁坐标和地理坐标往往具有一定的偏角。在研究地磁坐标系的过程中，地磁倾角纬度坐标系也是研究过程中较为常见的坐标系。磁力线在粗略的研究过程中能够与等电位线等价处理，三个坐标轴分别垂直于三个坐标面。

（3）日心坐标类

日心坐标系在太阳系的研究过程中更为常见。举例说明，几世纪前对于行星的判断，科学家认为在太阳系中共有十大行星。但在后续的测量过程中，在冥王星在日心坐标系的位置确定具体坐标之后，经过计算得出如下的结论：冥王星不应在十大行星之列。日心坐标系主要包括以下的三种：日心黄道坐标系、日心地球黄道坐标系以及日新地球赤道坐标系。

（4）局地坐标类

在局地坐标系中，其主要是针对小范围的的物体坐标确定而设定。日常对于物体空间坐标的三维描述分别为x轴、y轴以及z轴，但在据地坐标系中通常用H轴（地磁向北的方向）、Y轴（地磁向东的方向）以及Z轴（垂直向下的方向）。当自然风对磁场的影响作用较少时，对于偶极磁场的控制作用便能够通过局地坐标进行较为完整且深入的研究。

参考文献

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作者简介：吴奇;1986.06;男;汉族;籍贯：安徽省临泉县;学历：博士;职称：助教;研究方向：空间物理;单位：安徽省阜阳师范大学物理与电子工程学院。