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地球磁場
地球周圍空間分布的磁場
基本信息
| 中文名 | 地球磁場 |
| 外文名 | the earth magnetic field |
| 定義 | 地球周圍空間分布的磁場 |
| 成因 | 關(guān)于地球磁場成因的 |
| 特點 | 不是孤立的，受外界擾動的影響 |
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磁場簡介
發(fā)展歷史
歷史上，第一個提出地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(rèn)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。這一理論確立了地磁場與地球的關(guān)系，指出地磁場的起因不應(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)立了描繪地磁場的數(shù)學(xué)方法，從而使地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)上闡明地磁場的起源。
科學(xué)家們已掌握了地磁場的分布與變化規(guī)律，但是，對于地磁場的起源問題，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(rèn)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(fù)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(rèn)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)地磁場的再生過程，解釋了地磁場有一定的數(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。
關(guān)于地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(rèn)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(dāng)說服力的理論，對地磁場的成因作出解釋。
組成部分
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(yuǎn)，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(dāng)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的波陣面。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。
地球磁層想象圖
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 |
分布信息
地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)形成的地磁場兩極與地理兩極并不重合，這就是地磁場磁偏角的形成原因。
變化規(guī)律
科學(xué)家們在對地磁場的研究中發(fā)現(xiàn)，地磁場是變化的，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(jì)初，法國科學(xué)家布律內(nèi)就發(fā)現(xiàn)，70萬年前地磁場曾發(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磁場倒轉(zhuǎn)證據(jù)。如巖漿在冷卻凝固成巖石時，會受到地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)代地磁場方向相同，而有些巖石的磁場方向與現(xiàn)代地磁場方向正好相反?？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)地磁場起源理論，地磁場磁極之所以發(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(dāng)?shù)貧づc地核的自轉(zhuǎn)角速度此增彼減而最終一致時，地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磁場方向如何發(fā)生變化，但是，在太空中地磁場的方向卻始終是不變的。因為在太空中測得的地磁場，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。
形成原因
通常物質(zhì)所帶的正電和負(fù)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(fù)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(yuǎn)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(yuǎn)低于地球。
起源學(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(jì)初就已經(jīng)認(rèn)識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當(dāng)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：
永磁體學(xué)說
是最早提出的一種學(xué)說，認(rèn)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(jì)末，著名物理學(xué)家居里夫人發(fā)現(xiàn)磁石的物理特性，就是當(dāng)磁石加熱到一定溫度時，原來的磁性就會消失。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(dāng)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
內(nèi)部電流學(xué)說
認(rèn)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。
電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說
認(rèn)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)。
壓電效應(yīng)學(xué)說
認(rèn)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磁場的約千分之一（10-3）。
旋磁效應(yīng)學(xué)說
認(rèn)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。
溫差電效應(yīng)學(xué)說
認(rèn)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?，這樣產(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。
發(fā)電機學(xué)說
認(rèn)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。
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(rèn)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。
磁力線扭結(jié)學(xué)說
霍爾效應(yīng)學(xué)說
認(rèn)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。
電磁感應(yīng)學(xué)說
認(rèn)為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風(fēng)到達(dá)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(rèn)，是研究和應(yīng)用較多的地球磁場學(xué)說。
最新動態(tài)
參考資料
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
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