地球磁場

地球磁場

地球磁場,簡言之是偶極型的,近似于把一個磁鐵棒放到地球中心,使它的北極大體上對著南極而產生的磁場形狀,但並不與地理上的南北極重合,存在磁偏角。當然,地球中心並沒有磁鐵棒,而是通過電流在導電液體核中流動的電流的磁效應(近似于電生磁)產生磁場的。

  • 中文名稱
    地球磁場
  • 外文名稱
    The Earth magnetic field
  • 概述
    場言是偶極型的
  • 簡介
    不是孤立的,它受外界擾動的影響
  • 形成原因
    關于地球磁場成因的
  • 磁極位置
    磁北極磁南極

基本介紹

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。

地球磁場

因為太陽風是一種等離子體,所以它也有磁場,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直入。在地球磁場的反抗下,太陽風繞過地球磁場,繼續向前運動,于是形成了一個被太陽風包圍的、彗星狀的地球磁場區域,這就是磁層。

地球磁層位于距大氣層頂600~1000公裏高處,磁層的外邊界叫磁層頂,離地面5~7萬公裏。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,有一個特殊的介面,在介面兩邊,磁力線突然改變方向,此介面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微,厚度大約有1000公裏。

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年發現,在中性片兩側約10個地球半徑的範圍裏,充滿了密度較大的電漿,這一區域稱作電漿片。

當太陽活動劇烈時,等離子片中的高能粒子增多,並且快速地沿磁力線向地球極區沉降,于是便出現了千姿百態、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叫做磁鞘,厚度為3~4個地球半徑

地球磁層是一個頗為復雜的問題,其中的物理機製有待于深入研究。磁層這一概念近來已從地球擴展到其他行星。甚至有人認為中子星和活動星系核也具有磁層特征。

形成原因

通常物質所帶的正電和負電是相等數量的,但由于地球核心物質受到的壓力較大,溫度也較高,約6000°C,內部有大量的鐵磁質元素,物質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,地幔附近處于帶負電狀態,情況就象是一個巨大的“原子”。

地球磁場

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定的南北磁極。另外,電子的分布位置並不是固定不變的,並會因許多的因素影響下會發生變化,再加上太陽和月亮 的引力作用,地核的自轉與地殼和地幔並不同步,這會產生一強大的交變電磁場,地球磁場的南北磁極因而發生一種低速運動,造成地球的南北磁極翻轉。

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,其內部並沒有大量的鐵磁質元素,那麽,太陽和 木星的磁場為何比地球還強呢?木星內部的溫度約為30000°C左右,壓力也比地球內部高的多,太陽內部的 壓力、溫度還要更高。這使太陽和木星內部產生更加廣闊的電子殼層,再加上木星的自轉速度較快,其自 轉一周的時間約10小時,故此其磁場強度自然也要比地球高的多。事實上,如果天體的內部溫度夠高,則天體的磁場強度與其內部是否含有鐵、鈷、鎳等鐵磁質元素無關。由于太陽、木星內部的壓力、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、水星內部的壓力、溫度遠低于地球。

關于地球磁場的形成原因,一種關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而做圓周運動,由于運動的電荷就是電流,電流必然產生磁場。這個產生的磁場就是行星的磁場,地球的磁場也是類似的原因產生的。這個假說和各個行星磁場的有無和強弱現象符合的非常完美

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
磁南極(1998) 64.6°S,138.5°E(2004 估計) 63.5°S,138.0°E

地磁場的形成具有一定特殊性,按照旋轉質量場假說,地球在自轉過程中產生磁場。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,隨地球一同轉動,所以地球上的人是無法感覺到地球自轉產生的磁場效應的。通常所說的地磁場隻能算作地球表面磁場,並不是地球的全球性磁場(又稱空間磁場),它是由地核旋轉形成的。

地球磁場

地球的內部結構可分為地殼、地幔和地核。美國科學家在試驗中發現,地球內外的自轉速度是不一樣的,地核的自轉速度大于地殼的自轉速度。

也就是說,地球表面的人雖然感覺不到地球的自轉,但卻能感覺到地核旋轉所產生的質量場效應,就是它產生了地球的表面磁場。科學家在研究中還發現,地核的自轉軸與地球的自轉軸不在一條直線上,所以由地核旋轉形成的地磁場兩極與地理兩極並不重合,這就是地磁場磁偏角的形成原因。

歷史發現

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,而應在地球內部。

1893年,數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部這一假設出發,創立了描繪地磁場的數學方法,從而使地磁場的測量和起源研究都可以用數學理論來表示。但這僅僅是一種形式上的理論,並沒有從本質上闡明地磁場的起源。

地球磁場

現在科學家們已基本掌握了地磁場的分布與變化規律,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。

目前,關于地磁場起源的假說歸納起來可分為兩大類,第一類假說是以現有的物理學理論為依據;第二類假說則獨闢蹊徑,認為對于地球這樣一個宇宙物體,存在著不同于現有已知理論的特殊規律。

屬于第一類假說的有旋轉電荷假說。它假定地球上存在著等量的異性電荷,一種分布在地球內部,另一種分布在地球表面,電荷隨地球旋轉,因而產生了磁場。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外的電荷是如何分離的;其次,地球負載的電荷並不多,由它產生的磁場是很微弱的,根據計算,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在磁場中做渦旋運動時,通過感應的方式而發生的。同時,電流自身形式的場就是連續不斷的再生磁場,好像發電機中的情形一樣。

地球磁場

弗蘭克所建立的模型說明了怎樣實現地磁場的再生過程,解釋了地磁場有一定的數值。但是在套用這種模型的時候,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的。

屬于第一類假說的還有漂移電流假說、熱力效應假說和霍爾效應假說等,但這些假說都不能全面地解釋地磁場的奇異特徵。

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假說。

1947年,布萊克特提出任意一個旋轉體都具有磁矩,它與旋轉體內是否存在電荷無關。這一假說認為,地球和其他天體的磁場都是在旋轉中產生的,也就是說星體自然生磁,就好像電荷轉動能產生磁場一樣。但是,這一假說在試驗和天文觀測兩方面都遇到了困難。在現有的實驗條件下,還沒有觀察到旋轉物體產生的磁效應。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。

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生的。隨著科學的發展,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後提出了10多種學說。這裏按照歷史的先後對一些各有一定根據或構想的地球磁場來源學說作簡單介紹:

⑴永磁體學說,是最早提出的一種學說,認為地球內部存在巨大的永磁體,由這永磁體產生地球磁場。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,著名物理學家居裏夫人發現磁石的物理特徵,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隻是一塊超大的磁石,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生磁極顛倒,牛頓發現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“居裏點”的的結論地球內部不能有一個永磁體,但是並不代表它最初不是一塊永磁體

⑵內部電流學說,認為地球內部存在巨大的電流,形成巨大電磁體產生地球磁場,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。

⑶電荷旋轉學說(公元1900年,簡寫作1900),認為地球表面和內部分別分布著符號相反、數量相等的電荷,由地球自轉而形成閉合電流,由此電流產生磁場,但這學說缺乏理論和實驗基礎。

地球磁場

壓電效應學說(1929),認為在地球內部物質在超高壓力下使物質中的電荷分離,電子在這樣的電場中運動而產生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一(10-3)。

⑸旋磁效應學說(1933),認為地球內的強磁物質旋轉可以產生地球磁場,但這種旋磁效應產生的磁場隻有地球磁場的大約千億分之一(10-11)。

⑹溫差電效應學說(1939),認為地球內部的放射性物質產生的熱量,使熔融物質發生連續的不均勻對流,這樣產生溫差電動勢和電流,由此電流產生地球磁場,但理論估計也同地球磁場不符合。

⑺發電機學說(1946-1947),認為是地球內部的導電液體在流動時產生穩恆的電流,由這電流產生地球磁場。

⑻旋轉體效應學說(1947),是根據少數天體觀測得到的經驗規律,認為具有角動量的旋轉物體都會產生磁矩,因而產生磁場。這一學說需要使用一無科學根據的常數,5年後又被提出這一學說的科學家根據精密的實驗結果加以否定了。

⑼磁力線扭結學說(1950),認為在地球磁場磁力線的張力特徵和地核的較差自轉,會使原始微弱的地球磁場放大,由此產生地球磁場。

⑽霍爾效應學說(1954),認為在地球內部由于溫度不均勻產生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下,會由霍爾效應產生霍爾電動勢和霍爾電流,由此產生地球磁場。

⑾電磁感應學說(1956),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後,會通過地球內部的電磁感應和整流作用產生地球內部的電流,由此產生地球磁場。在這些學說中,隻有發電機學說(又稱磁流體發電機學說)在觀 測、實驗和理論研究上得到較多的證認,是目前研究和套用較多的地球磁場學說。

倒轉原因

根據地磁場起源理論,地磁場磁極之所以發生倒轉,是由地核自轉角速度發生變化而引起的。地殼和地核的自轉速度是不同步的,現階段地核的自轉速度大于地殼的自轉速度。然而,40億年前,情況卻不是這樣,那時地球表面呈熔融狀態,月球也剛剛被俘獲,地球從裏到外的自轉速度是一致的,地球表面不存在磁場。但是,隨著地球向月球傳輸角動量,地球的自轉角速度越來越小。

地球磁場

同時,地球也漸漸形成了地殼、地幔和地核三層結構。地球自轉角動量的變化首先反映在地殼上,出現了地殼自轉速度小于地核自轉速度的情形。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。

地殼與地核自轉角速度不同步,這種情形並不能長久地保持下去,地核必然通過地幔軟流層物質向地殼傳輸角動量,其結果是地核的自轉角速度逐漸減小,地殼的自轉角速度逐漸增大。當地殼與地核的自轉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並不會到此為止,在慣性的作用下,地殼的自轉角速度還在繼續增大,地核的自轉角速度繼續減小,于是出現了地殼自轉角速度大于地核自轉角速度的情形。這時,在地球表面就會感受到來自地核逆地球自轉方向的旋轉質量場效應。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,整個地球的自轉速度處在減速狀態,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生一次倒轉的原因。

據測定,地磁場發生倒轉前有明顯的預兆,地球的磁場強度減弱直至為零,隨後,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。目前,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,是整個地球自轉產生的旋轉質量場效應,並不會因為地殼與地核相對速度的改變而發生變化。根據左手定則,在太空中測得的地磁場的N方向始終在地理南極上空。

地球磁場

在電磁感應效應中,通電導體產生的磁場強度與電流強度成正比,即與導體內“定向移動”的自由電子數目成正比。而每個電子的自旋角動量又是恆定的,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,巨觀物體產生的磁場強度,也應與旋轉質量場的角動量成正比,即與物體的質量和自旋角速度成正比,與質量場的旋轉半徑(觀測點到物體質心的距離)成反比。用公式表示為:

H = f mω/r = f 0 m / T r (f 0為常數,T為自轉周期,r為旋轉質量場半徑)

根據這一公式,在地球表面測得的磁場強度H,隻與地核的質量成正比,角速度ω的取值為地殼與地核自轉角速度之差,r為地球的半徑(地磁場強度為5×10-5特斯拉)。而地球在太空中形成的空間磁場,其磁場強度與整個地球的質量成正比,與地球的自轉角速度成正比(近似值),與觀測點到地球中心的距離成反比。因此,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恆定,不會像地球表面磁場那樣發生磁極倒轉現象。

​科學探討

當居裏告訴人們,永磁不耐高溫時,人們開始意識到地球磁場就應該是一個電磁場。電磁場遵循麥克斯韋方程原理,所以在地球裏面一定有電流在流動。依據我們測得的地球磁場形態反推地球電場,地球電場電流的最大處應該在赤道切面的平面上。當代地磁場理論認為,這個電流是在地核赤道上流動的(地核發電機原理),它的動力源于地球層之間的自轉差。實際上這是一些很不切實際的想法,地球的較差自轉本身就不是一個加速度,它不會有能量產生。赤道環電流形成地磁場,電流在地核上要比在地殼上須要更強大的動力,它是在級數上差別的能量級。所以根本上說地球內部就不會有這麽大的能量產生。

科學的進步使人們知道,對自己周圍的環境數量化很是重要。二十世紀人類開始測量各地岩石的剩餘磁場,它可以表明岩石形成時地球磁場的許多參數。測量的結果令人震驚,有許多的岩石剩餘磁場顛倒了。顛倒的剩磁是當時主要想解釋的矛盾,經過很長時間思考,沒有更好的解釋,隻好是說地磁場翻轉了。可是岩石剩磁場不僅是顛倒,而且由下傾變為向上翹,這在當時科學界沒太多地註意這個問題。這隻是一個空間概念問題的思考,實際上地球磁場從來就沒有翻轉過。我們可以想象,在你面前橫放著一個導電體,流經它的電流就可以在導體周圍產生一個磁場,你可以把在你這邊的磁場定義為正向磁場,那麽在導體的另一邊對你這面來說就是一個反向磁場。

你面對的正向磁場某個點上,有它的場強、極向和傾角。在磁場發生翻轉時,也就是說導體的電流方向發生改變。這時磁場極向也就改變了,可是磁場的磁傾角是不會改變的。極向和傾角同時改變的情況就隻有到導電體的反向磁場相對位置中去找。地球岩石的翻轉剩磁可以說都是在地電流層之下形成的,所以它們的磁場極向和磁傾角都發生了改變。

有人會問,地球磁場在幾十億年的進化中到底發生過翻轉嗎?解決這個問題,這就隻能到剩餘磁性的資料裏去翻看了,要是發現有磁場極向改變而磁傾角不變地層,這說明會有地磁場翻轉的情

況發生。可是地球磁場從來就沒有翻轉過。

地球生物都是在地球表面和水中進化的,所以地球生物從來就沒有在逆向磁場中生存過。這樣地球生物演化的表現也就沒有逆向磁場的生物特征留存。

麥克斯韋方程反推地球電場和岩石剩餘磁場唯一解釋都說明,地球電磁場的電流是在地殼中流動著,但是我們為什麽很少能感覺到這個地電流的存在呢?這主要是因為電流在地殼導體場流動時,它有一個最小電阻路徑原理。因為地球是圓的,所以地電流不會表現到地球表面上來。

地球的演化、乃至太陽系的演化是一個恆定變化的過程,在其中很少會有突發事件發生。行星的磁場如果發生翻轉,那可以說是突發事件引誘的,這種突發事件在太陽裏我們無法找到它的誘發點。地球磁場也從來就沒有翻轉過。

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