地球磁場(chǎng)

目錄

[隱藏顯現(xiàn)]

1 簡(jiǎn)介

2 起源

3 形成原因

4 起源假說

1. 4.1 永磁體學(xué)說
2. 4.2 內(nèi)部電流學(xué)說
3. 4.3 電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說
4. 4.4 壓電效應(yīng)學(xué)說
5. 4.5 旋磁效應(yīng)學(xué)說
6. 4.6 溫差電效應(yīng)學(xué)說
7. 4.7 發(fā)電機(jī)學(xué)說
8. 4.8 旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說
9. 4.9 磁力線扭結(jié)學(xué)說
10. 4.10 霍爾效應(yīng)學(xué)說
11. 4.11 電磁感應(yīng)學(xué)說
12. 4.12 自由電子旋轉(zhuǎn)說

5 作用

6 磁極互換

7 磁極位置

8 變衰

9 X點(diǎn)

在地球上任何地方放一個(gè)小磁針，讓其自由旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其靜止時(shí)，磁針的北極（N極）總指向地理北極，這是由于地球周圍存在著地球磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)有大小和方向，所以是矢量場(chǎng)。地球磁場(chǎng)分布廣泛，從地核到空間磁層邊緣處處存在。

地球磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的場(chǎng)，內(nèi)源場(chǎng)引起的變化稱為長(zhǎng)期變化，主要有磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)和地球磁場(chǎng)向西飄移。地球磁場(chǎng)每5000~50000年倒轉(zhuǎn)一次，與現(xiàn)今磁場(chǎng)方向相同的磁場(chǎng)稱為正常磁場(chǎng)（磁場(chǎng)從南極附近出來，回到北極），與現(xiàn)在磁場(chǎng)方向相反的稱為倒轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，地質(zhì)時(shí)期上出現(xiàn)過四個(gè)較大的倒轉(zhuǎn)期，現(xiàn)今為布容正向期，歷史上有松山反向期，高斯正向期和吉爾伯特反向期。

固體地球外部的各種電流體系引起的地球磁場(chǎng)變化稱為短期變化，特點(diǎn)是變化快，時(shí)間短。短期變化又分為平靜變化和擾動(dòng)變化，其中平靜變化包括太陽靜日變化和太陰日變化，擾動(dòng)變化包括磁暴、亞暴、鉤擾、灣擾和地磁脈動(dòng)。磁暴、鉤擾、灣擾的發(fā)生與太陽活動(dòng)有關(guān)，太陽活動(dòng)頻繁的時(shí)期，這些短期變化頻繁發(fā)生，而且強(qiáng)度很大，變化劇烈。亞暴與極光有關(guān)。

歷史上，第一個(gè)提出地球磁場(chǎng)理論概念的是英國(guó)人吉爾伯特。他在1600年提出一種論點(diǎn)，認(rèn)為地球自身就是一個(gè)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(chǎng)與地球的關(guān)系，指出地球磁場(chǎng)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(duì)強(qiáng)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(chǎng)的數(shù)學(xué)方法，從而使地球磁場(chǎng)的測(cè)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(chǎng)的起源。

現(xiàn)在科學(xué)家們已基本掌握了地球磁場(chǎng)的分布與變化規(guī)律，但是，對(duì)于地球磁場(chǎng)的起源問題，學(xué)術(shù)界卻一直沒有找到一個(gè)令人滿意的答案。關(guān)于地球磁場(chǎng)的起源，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(shí)到地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，不過當(dāng)時(shí)仍不清楚地球磁場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生的。

2010年，一項(xiàng)研究顯示，地球磁場(chǎng)形成于34.5億年前。地球磁場(chǎng)形成的時(shí)間與地球上最初生命的形成時(shí)間相符，地球磁場(chǎng)的形成有效的避免了地球上最初的生命形態(tài)遭受太陽磁輻射的破壞。

有電荷在運(yùn)動(dòng)才會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此地球的磁場(chǎng)應(yīng)該與地球內(nèi)部的帶電結(jié)構(gòu)有關(guān)。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，自由電子趨于朝向壓力較低的地幔，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(gè)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(duì)較高，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(dòng)，這使地球形成了一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)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，會(huì)因許多的因素影響下會(huì)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(huì)產(chǎn)生一強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)，地球磁場(chǎng)的南北磁極因而發(fā)生一種低速運(yùn)動(dòng)，造成地球的南北磁極翻轉(zhuǎn)。

隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)于地球磁場(chǎng)觀測(cè)和地球結(jié)構(gòu)的研究不斷增多和深入，對(duì)地球磁場(chǎng)的起源先后提出了10多種學(xué)說。

永磁體學(xué)說

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(chǎng)，但后來認(rèn)識(shí)到地球內(nèi)部溫度很高，不可能存在永磁體。

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(chǎng)，巨大電流會(huì)很快衰減，不會(huì)長(zhǎng)期存在。

電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說

1900年提出，認(rèn)為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號(hào)相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流，并產(chǎn)生磁場(chǎng)，但這種學(xué)說缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

壓電效應(yīng)學(xué)說

1929年提出，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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)。但理論計(jì)算出這樣的磁場(chǎng)僅有地球磁場(chǎng)的約千分之一。

旋磁效應(yīng)學(xué)說

1933年提出，認(rèn)為地球內(nèi)的強(qiáng)磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約千億分之一。

溫差電效應(yīng)學(xué)說

1939年提出，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鳎@樣產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但理論估計(jì)也同地球磁場(chǎng)不符合。

發(fā)電機(jī)學(xué)說

1946年提出，認(rèn)為是地球內(nèi)部的導(dǎo)電液體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流，由這電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。

旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說

1947年提出，是根據(jù)少數(shù)天體觀測(cè)得到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，認(rèn)為具有角動(dòng)量的旋轉(zhuǎn)物體都會(huì)產(chǎn)生磁矩，因而產(chǎn)生磁場(chǎng)。這一學(xué)說需要使用一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果加以否定了。

磁力線扭結(jié)學(xué)說

1950年提出，認(rèn)為在地球磁場(chǎng)磁力線的張力特性和地核的較差自轉(zhuǎn)，會(huì)使原始微弱的地球磁場(chǎng)放大，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。

霍爾效應(yīng)學(xué)說

1954年提出，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(chǎng)的同時(shí)使用下，會(huì)由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)和霍爾電流，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。

電磁感應(yīng)學(xué)說

1956年提出，認(rèn)為由太陽的強(qiáng)烈磁活動(dòng)通過帶電粒子的太陽風(fēng)到達(dá)地球后，會(huì)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(chǎng)。在這些學(xué)說中，只有發(fā)電機(jī)學(xué)說（又稱磁流體發(fā)電機(jī)學(xué)說）在觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)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(chǎng)學(xué)說。

自由電子旋轉(zhuǎn)說

2006年提出，是唯一由中國(guó)人王金甲先生，根據(jù)分子、原子學(xué)，結(jié)合地震波提供的地球深處高清圖像提出的學(xué)說。

地球磁場(chǎng)能夠反射粒子流，把地球包圍起來，使人類免受高速太陽風(fēng)的輻射和傷害，為地球提供了一個(gè)無形的屏障。鴿子，蝙蝠和烏龜?shù)却罅縿?dòng)物都用地球磁場(chǎng)來導(dǎo)航。 參照詞條：磁極翻轉(zhuǎn)

大量的事實(shí)和證據(jù)表明，地球磁場(chǎng)的磁極曾經(jīng)互換過。

地球磁場(chǎng)不是毫無變化的，它的強(qiáng)度與地磁極位置會(huì)改變?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，地磁極會(huì)周期性地逆反定向，這過程稱為地磁反轉(zhuǎn)。地球磁場(chǎng)會(huì)在太空與太陽風(fēng)和其它帶電粒子群流互相作用，因而形成磁層。地球磁層并不是球狀的，在面對(duì)太陽的一面，其邊界離地心的距離約為七萬千米（隨太陽風(fēng)強(qiáng)度的不同而變化）。

磁北極	(2001) 81.3°N,110.8°W	(2004 估計(jì)) 82.3°N,113.4°W	(2005 估計(jì)） 82.7°N,114.4°W
磁南極	(1998) 64.6°S,138.5°E	(2004 估計(jì)） 63.5°S,138.0°E

2009年6月29日，據(jù)美國(guó)媒體稱，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)部的地核正在改變?yōu)榈厍蛱峁┍Ｗo(hù)的磁場(chǎng)，這可能使衛(wèi)星和其他航天器易于遭受高能輻射的破壞。

該研究發(fā)現(xiàn)，整個(gè)磁場(chǎng)的衰弱過程可能持續(xù)數(shù)百年，乃至數(shù)千年，但持續(xù)幾個(gè)月的更小、更快速的波動(dòng)可能會(huì)使衛(wèi)星失去磁場(chǎng)的保護(hù)。德國(guó)地球科學(xué)研究中心的地球物理學(xué)家米奧拉·曼蒂(Mioara Mandea)表示：“南大西洋已經(jīng)出現(xiàn)了這些變化，這一地區(qū)的磁場(chǎng)最弱，僅為普通磁場(chǎng)的三分之一?！?sup>

2012年7月6日，美國(guó)宇航局宣布在地球磁場(chǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)隱藏的“入口”。這種入口被稱之為“X點(diǎn)”或者“電子擴(kuò)散區(qū)”，并非通往其他星系和行星，而是幫助運(yùn)送來自太陽的磁性帶電粒子。飛抵地球后，這些帶電粒子會(huì)形成絢爛的極光，同時(shí)導(dǎo)致地磁暴。

參與此項(xiàng)研究的愛荷華州大學(xué)教授杰克·斯庫德表示：“地球與太陽的磁場(chǎng)通過這些入口連接在一起，形成一條不受干擾的通道，直通9300萬英里(約合1.5億公里)外的太陽大氣層?！庇捎凇斑@些磁性入口不可見，不穩(wěn)定并且難以捉摸”，因此科學(xué)家尚不清楚X點(diǎn)的真實(shí)身份。

這些入口與地球之間的距離在1萬到3萬英里(約合1.6萬到4.8萬公里)之間。2014年，美國(guó)宇航局將執(zhí)行磁層多尺度任務(wù)(MMS)。這項(xiàng)任務(wù)將發(fā)射4顆探測(cè)器，環(huán)繞地球軌道，可用于鎖定和研究X點(diǎn)。