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地球磁場及其變化規(guī)律
地球磁場(the earth magnetic field)是指地球周圍空間分布的磁場。
偶極型,近似于把一個磁鐵棒放到地球中心,磁北極(N)極處于地理南極附近,磁南極(S)極處于地理北極附近。磁極與地理極不完全重合,存在磁偏角。

地球磁場屬于電磁場,是通過外核的電子隨地球自轉(zhuǎn)的電流效應(yīng)(近似于電生磁)產(chǎn)生的磁場

地球磁場(the earth magnetic field)是地球周圍空間分布的磁場。它的磁南極大致指向地理北極附近,磁北極大致指向地理南極附近。磁力線分布特點是赤道附近磁場的方向是水平的,兩極附近則與地表垂直。赤道處磁場最弱,兩極最強。地球表面的磁場受到各種因素的影響而隨時間發(fā)生變化。 

一、發(fā)展史


歷史上,第一個提出地球磁場理論概念的是英國人吉爾伯特。他在1600年提出一種論點,認為地球自身就是一個巨大的磁體,它的兩極和地理兩極相重合。這一理論確立了地球磁場與地球的關(guān)系,指出地球磁場的起因不應(yīng)該在地球之外,而應(yīng)在地球內(nèi)部。

1893年,數(shù)學(xué)家高斯在他的著作《地磁力的絕對強度》中,從地磁成因于地球內(nèi)部這一假設(shè)出發(fā),創(chuàng)立了描繪地球磁場的數(shù)學(xué)方法,從而使地球磁場的測量和起源研究都可以用數(shù)學(xué)理論來表示。但這僅僅是一種形式上的理論,并沒有從本質(zhì)上闡明地球磁場的起源。
科學(xué)家們已掌握了地球磁場的分布與變化規(guī)律,但是,對于地球磁場的起源問題,學(xué)術(shù)界卻一直沒有找到一個令人滿意的答案。
關(guān)于地球磁場起源的假說歸納起來可分為兩大類,第一類假說是以現(xiàn)有的物理學(xué)理論為依據(jù);第二類假說則獨辟蹊徑,認為對于地球這樣一個宇宙物體,存在著不同于現(xiàn)有已知理論的特殊規(guī)律。
屬于第一類假說的有旋轉(zhuǎn)電荷假說。它假定地球上存在著等量的異性電荷,一種分布在地球內(nèi)部,另一種分布在地球表面,電荷隨地球旋轉(zhuǎn),因而產(chǎn)生了磁場。這一假說能夠很自然地通過電與磁的關(guān)系解釋地球磁場的成因。但是,這個假說卻有一個致命缺點,首先它不能解釋地球內(nèi)外的電荷是如何分離的;其次,地球負載的電荷并不多,由它產(chǎn)生的磁場是很微弱的,根據(jù)計算,如果要想得到地球磁場這樣的磁場強度,地球的電荷儲量需要擴大1億倍才行,理論計算和實際情況出入很大。
以地核為前提條件的地球磁場假說也屬于第一類假說,弗蘭克在這類假說中提出了發(fā)電機效應(yīng)理論。他認為地核中電流的形成,應(yīng)該是地核金屬物質(zhì)在磁場中做渦旋運動時,通過感應(yīng)的方式而發(fā)生的。同時,電流自身形式的場就是連續(xù)不斷的再生磁場,好像發(fā)電機中的情形一樣。弗蘭克所建立的模型說明了怎樣實現(xiàn)地球磁場的再生過程,解釋了地球磁場有一定的數(shù)值。但是在應(yīng)用這種模型的時候,卻很難解釋地核中的這種電路是怎樣通過圓形回路而閉合的。此外,這個模型也沒有考慮到電流對渦旋運動的反作用,而這種反作用是不允許渦旋分布于平行赤道面的平面內(nèi)的。
屬于第一類假說的還有漂移電流假說、熱力效應(yīng)假說和霍爾效應(yīng)假說等,但這些假說都不能全面地解釋地球磁場的奇異特性。
關(guān)于地球磁場起源還有第二類假說,這其中最具代表性的就是重物旋轉(zhuǎn)假說。
1947年,布萊克特提出任意一個旋轉(zhuǎn)體都具有磁矩,它與旋轉(zhuǎn)體內(nèi)是否存在電荷無關(guān)。這一假說認為,地球和其他天體的磁場都是在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的,也就是說星體自然生磁,就好像電荷轉(zhuǎn)動能產(chǎn)生磁場一樣。但是,這一假說在試驗和天文觀測兩方面都遇到了困難。在現(xiàn)有的實驗條件下,還沒有觀察到旋轉(zhuǎn)物體產(chǎn)生的磁效應(yīng)。而對天體的觀測結(jié)果表明,每個星球的磁場分布狀況都很復(fù)雜,尚不能證明星球的旋轉(zhuǎn)與磁場之間存在著必然的依存關(guān)系。
因此上說,關(guān)于地球磁場的起源問題,學(xué)術(shù)界仍處在探索與爭鳴之中,尚沒有一個具有相當說服力的理論,對地球磁場的成因作出解釋。

二、組成


地球磁場由基本磁場、外源磁場和磁異常三部分組成。

基本磁場也叫正常場。占地球磁場的99%以上。基本磁場主要由地核內(nèi)電流的對流形成.它是一種內(nèi)源磁場。
外源磁場是起源于地球外部并疊加在基本磁場上的各種短期磁變化。主要有:與太陽黑子活動周期一致的磁變化;日變化,日變化與太陽輻射對高空電離層的影響有關(guān);磁暴。
磁異常是地下巖礦石或地質(zhì)構(gòu)造受地球磁場磁化后,在其周圍空間形成并疊加在地球磁場上的次生磁場。  

三、地球磁層


地球磁場(the earth magnetic field)不是孤立的,它受到外界擾動的影響,宇宙飛船就已經(jīng)探測到太陽風(fēng)的存在。太陽風(fēng)是從太陽日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的粒子流,主要成分是電離氫和電離氦。

因為太陽風(fēng)是一種等離子體,所以它有磁場,太陽風(fēng)磁場對地球磁場施加作用,好像要把地球磁場從地球上吹走似的。盡管這樣,地球磁場仍有效地阻止了太陽風(fēng)長驅(qū)直入。在地球磁場的反抗下,太陽風(fēng)繞過地球磁場,繼續(xù)向前運動,于是形成了一個被太陽風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場區(qū)域,這就是磁層。

地球磁場

地球磁層位于距大氣層頂600-1000公里高處,磁層的外邊界叫磁層頂,離地面5-7萬公里。在太陽風(fēng)的壓縮下,地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠,形成一條長長的尾巴,稱為磁尾。在磁赤道附近,有一個特殊的界面,在界面兩邊,磁力線突然改變方向,此界面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微,厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分:北面的磁力線向著地球,南面的磁力線離開地球。1967年發(fā)現(xiàn),在中性片兩側(cè)約10個地球半徑的范圍里,充滿了密度較大的等離子體,這一區(qū)域稱作等離子體片。當太陽活動劇烈時,等離子片中的高能粒子增多,并且快速地沿磁力線向地球極區(qū)沉降,于是便出現(xiàn)了千姿百態(tài)、絢麗多彩的極光。由于太陽風(fēng)以高速接近地球磁場的邊緣,便形成了一個無碰撞的地球弓形激波波陣面。波陣面與磁層頂之間的過渡區(qū)叫做磁鞘,厚度為3-4個地球半徑。

四、磁極位置


磁北極

(2001) 81.3°N,110.8°W

(2004 估計) 82.3°N,113.4°W

(2005 估計) 82.7°N,114.4°W

地理南極附近

磁南極

(1998) 64.6°S,138.5°E

(2004 估計) 63.5°S,138.0°E


地理北極附近

五、分布


地球磁場的形成具有一定特殊性,按照旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場假說,地球在自轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生磁場。但是,從運動相對性的觀點考慮,居住在地球上的人是不應(yīng)該感受到地球磁場的,因為人靜止于地球表面,隨地球一同轉(zhuǎn)動,所以地球上的人是無法感覺到地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場效應(yīng)的。通常所說的地球磁場只能算作地球表面磁場,并不是地球的全球性磁場(又稱空間磁場),它是由地核旋轉(zhuǎn)形成的。地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為地殼、地幔和地核。美國科學(xué)家在試驗中發(fā)現(xiàn),地球內(nèi)外的自轉(zhuǎn)速度是不一樣的,地核的自轉(zhuǎn)速度大于地殼的自轉(zhuǎn)速度。也就是說,地球表面的人雖然感覺不到地球的自轉(zhuǎn),但卻能感覺到地核旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的質(zhì)量場效應(yīng),就是它產(chǎn)生了地球的表面磁場??茖W(xué)家在研究中還發(fā)現(xiàn),地核的自轉(zhuǎn)軸與地球的自轉(zhuǎn)軸不在一條直線上,所以由地核旋轉(zhuǎn)形成的地球磁場兩極與地理兩極并不重合,這就是地球磁場磁偏角的形成原因。

六、變化規(guī)律


科學(xué)家們在對地球磁場的研究中發(fā)現(xiàn),地球磁場是變化的,不僅強度不恒定,而且磁極也在發(fā)生變化,每隔一段時間就要發(fā)生一次磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。早在二十世紀初,法國科學(xué)家布律內(nèi)就發(fā)現(xiàn),70萬年前地球磁場曾發(fā)生過倒轉(zhuǎn)。1928年,日本科學(xué)家松山基范也得出了同樣的研究結(jié)果。第二次世界大戰(zhàn)后,隨著古地磁研究的迅速發(fā)展,人們獲得了越來越多的地球磁場倒轉(zhuǎn)證據(jù)。如巖漿在冷卻凝固成巖石時,會受到地球磁場的磁化而保留著像磁鐵一樣的磁性,其磁場方向和成巖時的地球磁場方向一致??茖W(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn),有些巖石的磁場方向與現(xiàn)代地球磁場方向相同,而有些巖石的磁場方向與現(xiàn)代地球磁場方向正好相反??茖W(xué)工作者通過陸上巖石和海底沉積物的磁力測定,及洋底磁異常條帶的分析終于發(fā)現(xiàn),在過去的7600萬年間,地球曾發(fā)生過171次磁極倒轉(zhuǎn)。距今最近的一次發(fā)生在70萬年前,正如布律內(nèi)所指出的那樣。

根據(jù)地球磁場起源理論,地球磁場磁極之所以發(fā)生倒轉(zhuǎn),是由地核自轉(zhuǎn)角速度發(fā)生變化而引起的。地殼和地核的自轉(zhuǎn)速度是不同步的,現(xiàn)階段地核的自轉(zhuǎn)速度大于地殼的自轉(zhuǎn)速度。然而,40億年前,情況卻不是這樣,那時地球表面呈熔融狀態(tài),月球也剛剛被俘獲,地球從里到外的自轉(zhuǎn)速度是一致的,地球表面不存在磁場。但是,隨著地球向月球傳輸角動量,地球的自轉(zhuǎn)角速度越來越小。同時,地球也漸漸形成了地殼、地幔和地核三層結(jié)構(gòu)。地球自轉(zhuǎn)角動量的變化首先反映在地殼上,出現(xiàn)了地殼自轉(zhuǎn)速度小于地核自轉(zhuǎn)速度的情形。這時,在地球表面第一次可以感受到磁場的存在,地核以大于地殼的自轉(zhuǎn)速度形成了地球磁場。按照左手定則,磁場的N極在地理南極附近,磁場的S極在地理北極附近。地殼與地核自轉(zhuǎn)角速度不同步,這種情形并不能長久地保持下去,地核必然通過地幔軟流層物質(zhì)向地殼傳輸角動量,其結(jié)果是地核的自轉(zhuǎn)角速度逐漸減小,地殼的自轉(zhuǎn)角速度逐漸增大。當?shù)貧づc地核的自轉(zhuǎn)角速度此增彼減而最終一致時,地球磁場就會在地球表面消失。地核與地殼間的角動量傳輸并不會到此為止,在慣性的作用下,地殼的自轉(zhuǎn)角速度還在繼續(xù)增大,地核的自轉(zhuǎn)角速度繼續(xù)減小,于是出現(xiàn)了地殼自轉(zhuǎn)角速度大于地核自轉(zhuǎn)角速度的情形。這時,在地球表面就會感受到來自地核逆地球自轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場效應(yīng)。按照左手定則判斷,新形成的地球磁場的N極在地理北極附近,S極在地理南極附近。從較長的時期看,整個地球的自轉(zhuǎn)速度處在減速狀態(tài),但地殼與地核間的相對速度卻是呈周期性變化的,這就是每隔一段時間地球磁場就要發(fā)生一次倒轉(zhuǎn)的原因。
據(jù)測定,地球磁場發(fā)生倒轉(zhuǎn)前有明顯的預(yù)兆,地球的磁場強度減弱直至為零,隨后,約需一萬年的光景,磁場強度才緩緩恢復(fù),但是,磁場方向卻完全相反。地球磁場強度有逐漸減弱的趨勢,在過去的4000年中,北美洲的磁場強度已減弱了50%,這說明地核相對地殼的速度差正在縮小。值得說明的是,無論地球表面測得的地球磁場方向如何發(fā)生變化,但是,在太空中地球磁場的方向卻始終是不變的。因為在太空中測得的地球磁場,是整個地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場效應(yīng),并不會因為地殼與地核相對速度的改變而發(fā)生變化。根據(jù)左手定則,在太空中測得的地球磁場的N方向始終在地理南極上空。
在電磁感應(yīng)效應(yīng)中,通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場強度與電流強度成正比,即與導(dǎo)體內(nèi)“定向移動”的自由電子數(shù)目成正比。而每個電子的自旋角動量又是恒定的,所以磁場強度實際上是與所有電子的自旋角動量之和成正比。同理,宏觀物體產(chǎn)生的磁場強度,也應(yīng)與旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場的角動量成正比,即與物體的質(zhì)量和自旋角速度成正比,與質(zhì)量場的旋轉(zhuǎn)半徑(觀測點到物體質(zhì)心的距離)成反比。
在近地球的宇宙空間,地球所形成的空間磁場強度大于地表的磁場強度。空間磁場的最大特點是磁極恒定,不會像地球表面磁場那樣發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 

七、形成原因


通常物質(zhì)所帶的正電負電是相等數(shù)量的,但由于地球核心物質(zhì)受到的壓力較大,溫度也較高,約6000°C,內(nèi)部有大量的鐵磁質(zhì)元素,物質(zhì)變成帶電量不等的離子體,即原子中的電子克服原子核的引力,變成自由電子,加上由于地核中物質(zhì)受著巨大的壓力作用,自由電子趨于朝壓力較低的地幔,使地核處于帶正電狀態(tài),地幔附近處于帶負電狀態(tài),情況就象是一個巨大的“原子”。

科學(xué)家相信,由于地核的體積極大,溫度和壓力又相對較高,使地層的導(dǎo)電率極高,使得電流就如同存在于沒有電阻的線圈中,可以永不消失地在其中流動,這使地球形成了一個磁場強度較穩(wěn)定的南北磁極。另外,電子的分布位置并不是固定不變的,并會因許多的因素影響下會發(fā)生變化,再加上太陽和月亮 的引力作用,地核的自轉(zhuǎn)與地殼和地幔并不同步,這會產(chǎn)生一強大的交變電磁場,地球磁場的南北磁極因而發(fā)生一種低速運動,造成地球的南北磁極翻轉(zhuǎn)
太陽和木星亦具有很強的磁場,其中木星的磁場強度是地球磁場的20至40倍。太陽和木星上的元素主要是氫和少量的氦、氧等這類較輕的元素,與地球不同,其內(nèi)部并沒有大量的鐵磁質(zhì)元素,那么,太陽和 木星的磁場為何比地球還強呢?木星內(nèi)部的溫度約為30000°C左右,壓力也比地球內(nèi)部高的多,太陽內(nèi)部的 壓力、溫度還要更高。這使太陽和木星內(nèi)部產(chǎn)生更加廣闊的電子殼層,再加上木星的自轉(zhuǎn)速度較快,其自 轉(zhuǎn)一周的時間約10小時,故此其磁場強度自然也要比地球高的多。事實上,如果天體的內(nèi)部溫度夠高,則天體的磁場強度與其內(nèi)部是否含有鐵、鈷、鎳等鐵磁質(zhì)元素?zé)o關(guān)。由于太陽、木星內(nèi)部的壓力、溫度遠高于地球,因此,太陽、木星上的磁場要比地球磁場強的多。而火星、水星的磁場比地球磁場弱,則說明火星、水星內(nèi)部的壓力、溫度遠低于地球。
關(guān)于地球磁場的形成原因,一種關(guān)于地球磁場成因的假說認為:地球磁場的形成原因和其它行星的磁場的形成原因是類似的,地球或其它行星由于某種原因而帶上了電荷或者導(dǎo)致各個圈層間電荷分布不均勻。這些電荷由于隨行星的自轉(zhuǎn)而做圓周運動,由于運動的電荷就是電流,電流必然產(chǎn)生磁場。這個產(chǎn)生的磁場就是行星的磁場,地球的磁場也是類似的原因產(chǎn)生的。這個假說和各個行星磁場的有無和強弱現(xiàn)象符合。

八、關(guān)于起源的相關(guān)學(xué)說


關(guān)于地球磁場的來源,早期歷史上曾有來自北極星的傳說,但是到公元17世紀初就已經(jīng)認識到地球本身就是一個巨大的磁體,不過當時仍不清楚地球磁場是怎樣產(chǎn)生的。隨著科學(xué)的發(fā)展,對于地球磁場觀測和地球結(jié)構(gòu)的研究不斷增多和深入,對地球磁場的來源先后提出了10多種學(xué)說。這里按照歷史的先后對一些各有一定根據(jù)或設(shè)想的地球磁場來源學(xué)說作簡單介紹: 

1、永磁體學(xué)說

是最早提出的一種學(xué)說,認為地球內(nèi)部存在巨大的永磁體,由這永磁體產(chǎn)生地球磁場。這是一個永磁場的假說,地球起源于一塊巨大的磁體。19世紀末,著名物理學(xué)家皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)磁石的物理特性,就是當磁石加熱到一定溫度時,原來的磁性就會消失 [3]  。正好可以證明地球在誕生之初只是一塊超大的磁石,他吸引附近帶鐵、鈷、鎳元素的小行星.隕石和磁石,因為某種原因產(chǎn)生的高溫使這塊磁石的磁力消失而變成了電磁鐵中間的磁芯..因為這塊磁芯沒有固定所以會發(fā)生磁極顛倒,牛頓發(fā)現(xiàn)的地球引力其實就是磁力當然這些還需要科學(xué)家的驗證...................按照“居里點”的結(jié)論地球內(nèi)部不能有一個永磁體,但是并不代表它最初不是一塊永磁體

2、內(nèi)部電流學(xué)說

認為地球內(nèi)部存在巨大的電流,形成巨大電磁體產(chǎn)生地球磁場,但是既未觀測到這種巨大電流,而且巨大電流也會很快衰減,不會長期存在。

3、電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說

認為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號相反、數(shù)量相等的電荷,由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流,由此電流產(chǎn)生磁場,但這學(xué)說缺乏理論和實驗基礎(chǔ)。

4、壓電效應(yīng)學(xué)說

認為在地球內(nèi)部物質(zhì)在超高壓力下使物質(zhì)中的電荷分離,電子在這樣的電場中運動而產(chǎn)生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地球磁場的約千分之一(10-3)。

5、旋磁效應(yīng)學(xué)說

認為地球內(nèi)的強磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場,但這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場只有地球磁場的大約千億分之一。

6、溫差電效應(yīng)學(xué)說

認為地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量,使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的不均勻?qū)α鳎@樣產(chǎn)生溫差電動勢和電流,由此電流產(chǎn)生地球磁場,但理論估計也同地球磁場不符合。

7、發(fā)電機學(xué)說

認為是地球內(nèi)部的導(dǎo)電液體在流動時產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流,由這電流產(chǎn)生地球磁場。

8、旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說

是根據(jù)少數(shù)天體觀測得到的經(jīng)驗規(guī)律,認為具有角動量的旋轉(zhuǎn)物體都會產(chǎn)生磁矩,因而產(chǎn)生磁場。這一學(xué)說需要使用一無科學(xué)根據(jù)的常數(shù),5年后又被提出這一學(xué)說的科學(xué)家根據(jù)精密的實驗結(jié)果加以否定了。

9、磁力線扭結(jié)學(xué)說

認為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉(zhuǎn),會使原始微弱的地球磁場放大,由此產(chǎn)生地球磁場。

10、霍爾效應(yīng)學(xué)說

認為在地球內(nèi)部由于溫度不均勻產(chǎn)生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下,會由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電動勢和霍爾電流,由此產(chǎn)生地球磁場。

11、電磁感應(yīng)學(xué)說

認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風(fēng)到達地球后,會通過地球內(nèi)部的電磁感應(yīng)和整流作用產(chǎn)生地球內(nèi)部的電流,由此產(chǎn)生地球磁場。在這些學(xué)說中,只有發(fā)電機學(xué)說(又稱磁流體發(fā)電機學(xué)說)在觀 測、實驗和理論研究上得到較多的證認,是研究和應(yīng)用較多的地球磁場學(xué)說。
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