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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系，指出地磁場的起因不應該在地球之外，而應在地球內(nèi)部。
1893年，數(shù)學家高斯在他的著作《地磁力的絕對強度》中，從地磁成因于地球內(nèi)部這一假設出發(fā)，創(chuàng)立了描繪地磁場的數(shù)學方法，從而使地磁場的測量和起源研究都可以用數(shù)學理論來表示。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，學術界卻一直沒有找到一個令人滿意的答案。
關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)電機效應理論。他認為地核中電流的形成，應該是地核金屬物質(zhì)在磁場中做渦旋運動時，通過感應的方式而發(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。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。而對天體的觀測結果表明，每個星球的磁場分布狀況都很復雜，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系。
因此上說，關于地磁場的起源問題，學術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)探測到太陽風的存在。太陽風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。
因為太陽風是一種等離子體，所以它有磁場，太陽風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長驅(qū)直入。在地球磁場的反抗下，太陽風繞過地球磁場，繼續(xù)向前運動，于是形成了一個被太陽風包圍的、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)部結構可分為地殼、地幔和地核。美國科學家在試驗中發(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，就是它產(chǎn)生了地球的表面磁場。科學家在研究中還發(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。早在二十世紀初，法國科學家布律內(nèi)就發(fā)現(xiàn)，70萬年前地磁場曾發(fā)生過倒轉(zhuǎn)。1928年，日本科學家松山基范也得出了同樣的研究結果。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。科學家在研究中發(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。科學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、地幔和地核三層結構。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。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，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，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。
在電磁感應效應中，通電導體產(chǎn)生的磁場強度與電流強度成正比，即與導體內(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)元素無關。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。
起源學說
關于地球磁場的來源，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。隨著科學的發(fā)展，對于地球磁場觀測和地球結構的研究不斷增多和深入，對地球磁場的來源先后提出了10多種學說。這里按照歷史的先后對一些各有一定根據(jù)或設想的地球磁場來源學說作簡單介紹：
永磁體學說
是最早提出的一種學說，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，著名物理學家居里夫人發(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。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家的驗證...................按照“居里點”的結論地球內(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。
電荷旋轉(zhuǎn)學說
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，但這學說缺乏理論和實驗基礎。
壓電效應學說
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磁場的約千分之一（10-3）。
旋磁效應學說
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。
溫差電效應學說
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。
發(fā)電機學說
認為是地球內(nèi)部的導電液體在流動時產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流，由這電流產(chǎn)生地球磁場。
旋轉(zhuǎn)體效應學說
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。這一學說需要使用一無科學根據(jù)的常數(shù)，5年后又被提出這一學說的科學家根據(jù)精密的實驗結果加以否定了。
磁力線扭結學說
霍爾效應學說
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。
電磁感應學說
認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風到達地球后，會通過地球內(nèi)部的電磁感應和整流作用產(chǎn)生地球內(nèi)部的電流，由此產(chǎn)生地球磁場。在這些學說中，只有發(fā)電機學說（又稱磁流體發(fā)電機學說）在觀 測、實驗和理論研究上得到較多的證認，是研究和應用較多的地球磁場學說。
最新動態(tài)
參考資料
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地磁倒轉(zhuǎn):電影情節(jié)還是現(xiàn)實災難?2018-10-15T00:00:00+08:00[引用日期2022-05-23 19:19:58]
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地球磁層-資訊-中國天氣網(wǎng)2013-05-06T10:44:39+08:00[引用日期2022-05-23 19:20:03]
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未來5年，中科院要發(fā)射的空間科學衛(wèi)星都在這里了！2016-12-02T15:50:09+08:00[引用日期2022-05-24 18:22:12]
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這家伙太懶了，什么都沒寫！
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