地磁场

起源于地球内部存在的天然磁性

地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。地球可视为一个磁偶极（magnetic dipole），其中一极位在地理北极附近，另一极位在地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引力。地球磁圈对地球而言有屏障太阳风所挟带的带电粒子的作用。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区（背日面）则向外伸出。

基本概述

地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于固体地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于固体地球外部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。

行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转，而是直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。

地磁场强度大约是0.5-~0.6高斯，也就是5~6*E-5特斯拉（50~60μT）。

发现

中国宋代科学家沈括（1034~1094）在公元1086年写的《梦溪笔谈》中，最早记载了地磁偏角“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在1600年著的《磁体》一书中，把当时许多有关磁体性质的事实都记了下来，同时创造性地作了划时代的实验，把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了一个理论，认为地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上。

地磁场的起源

地磁场的起源是地球物理学的基本问题之一。自1600年英国的吉伯（W.Gilbert）提出“地球是一个巨大的磁石”开始，有关地磁场起源的推测已有近400年的历史，但至今仍未获得圆满解决。普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“发电机理论”。1945年，美国物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。

还有一种假说认为，铁磁质在770℃（居里温度）的高温中磁性会完全消失。在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，绝不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论，电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。

地磁场的主要部分犹如一个近似沿自转轴方向均匀磁化的球体的磁场。因此“永久磁石说”就成为地磁场成因最早和最自然的猜测。当地球物理学家提出地核可能是由铁、镍等强磁性物质组成的时候，这种猜测似乎得到了支持。然而地球内部的温度远超过铁的居里点（见岩石磁性），所以这个假说不能成立。继而有人曾企图借助于带电地球的旋转、回转磁效应、温差电流以及感应电流等物理效应来解释地磁场，但其量值都远远不够大。例如根据回转磁效应，地球由于自转获得的磁化强度约为10~10电磁单位，比与地磁场相当的均匀磁化球体的磁化强度7.2×10-2约小 9个数量级。鉴于从已有的物理规律找不到答案，有人开始探索新的规律。1947年英国物理学家布莱克特（P.M.S.Blackett）发现，当时测定的太阳、室女星座78号星和地球 3个天体的磁矩M和角动量P满足关系，其中G为万有引力常数，c为光速，β为比例常数，约为0.25。布莱克特把这个关系设想为物理学的一个新定律，作为地磁场起源的解释，称为“巨大转体说”。由于有 3个天体的支持，这个假说曾一度引起广泛的关注。为证实这一结果，布莱克特专门设计了一种测弱磁场的高灵敏度仪器，但实验结果是否定的，所以布莱克特本人声明放弃他的假说。

自激发电机说

与上述各种推测同时出现的是“自激发电机说”。1919年拉莫尔（J.Larmor）首先提出了旋转的导电流体维持自激发电机的可能性，这是关于地磁场起源的自激发电机说的最早概念。而较为系统的论述，则是40年代末和50年代初由埃尔萨塞（W.M.Elsasser）、帕克(E.N.Parker）和布拉德（E.C.Bullard）等人完成的，称为埃尔萨塞－帕克模型和布拉德过程。随着大型计算机的应用，使更复杂的磁流体动力学的计算成为现实。60年代后期发现，布拉德过程是不稳定的。这使得曾被认为极有希望的“自激发电机说”陷入了危机。直到1970年，利利（F.E.M.Lilley）修正了布拉德过程的运动模式，才使得稳定的“自激发电机说”再度有了可能。60年代古地磁学的数据肯定了地磁场在漫长的地质时期经历了多次倒转的事实，地磁场极性的正向与反向的历史并没有显示出哪种极性更具有特殊性。这是除“自激发电机说”以外，其他关于地磁成因的假说所难以解释的。地球具有磁场在天体中并不特殊，太阳系九大行星中至少有木星、水星具有与地球磁场相类似的内源磁场。太阳和许多恒星也具有磁场。60～70年代帕克的研究说明，地磁场起源的模式可能对其他天体也适用。据此，人们现在认为“自激发电机说”是解释地磁成因的最有希望的理论。

原理地核内磁流体动力学的研究思路是导电流体和磁场的相互作用如何改变原始的磁场和运动状态，这是“自激发电机说”的基础。

导电流体与磁场

在数学上也就是电磁场方程与流体运动方程的耦合。在磁场中运动的导电流体，根据法拉第电磁感应定律，将在随流体运动的回路里产生感应电动势。若导体是电导率为无穷大的理想导体，感应电流将为无穷大，这显然是不可能的。如果任意运动回路中的磁通量不变，磁力线必然随流体一起运动，犹如磁力线与流体牢固地粘在一起。这个现象称为磁场的“冻结”效应，即磁场与流体完全冻结起来。这时磁场所满足的方程称为“冻结方程”。当流体的电导率为有限时，除不断有焦耳热损耗外，磁场还将不断由强的区域向弱的区域扩散。因此在一般情况下，导电流体中的磁场既受冻结效应的控制，又将不断扩散。这时满足的方程称为“扩散冻结方程”。冻结和扩散两种效应，除与电导率（λ）有关外，还与流体的速度（v）和尺度（电磁流体力学中，定义无量纲常数为磁粘滞系数。RM>>1时，流体中冻结效应将是主要的；RM<<1时，扩散现象将占优势。

由于磁场的存在，流体运动方程中除原有的作用力外，还将增加电磁力。运动和磁场方程相互耦合的媒介就是电磁力。

导电流体在磁场中运动，将产生感应电流，从而改变原有磁场。如果运动适当，有可能维持某种稳定的磁场。这个过程如同通常的发电机，导电流体相当于发电机的线圈，因此把维持磁场的这种假说称为“发电机说”。当然除这种简单的相似外，两者的过程是完全不同的。在磁流体过程中，由于运动和磁场的耦合,电磁方程和流体运动方程都将成为非线性方程。至今求解这样复杂的非线性方程组仍然是困难的。为此通常把运动和磁场的耦合作为微扰处理，分别求解运动方程和电磁方程。这时两个方程仍为线性方程，相应于方程的“发电机”则称为“线性发电机”。

寿命影响

若地核中产生的地磁场被激发后自由衰减，其衰减寿命约为104年。但古地磁学中已经测到的最老的磁性岩石年龄接近109年，这说明地磁场的寿命远远超出它的自由衰减寿命。为维持这样长寿命的地磁场，必须不断提供能量以补偿焦耳热损耗。地核中的能量来源，以及提供的能量维持怎样的运动才能获得长时间稳定的地磁场，是发电机说要回答的两个基本问题。

地核的电导率是地球内部电导率最高的，约为 3×10-6电磁单位。地磁非偶极场成分的西向漂移表明，非偶极场源有相对于地幔的运动，其速度量级为20公里每年。这要比被地质现象所证实的固体地壳的运动高 5个量级，因此从焦耳热损耗和运动量级考虑，液体地核是地磁发电机最有利的场所。

发电机的能量图像根据液核中磁流体动力学原理可知，发电机的能量转换过程是运动能与磁能的转换，其转换媒介是电磁力。运动反抗这种电磁力做功将对系统提供能量，其中一部分用来补偿焦耳热损耗，剩余的用来增加系统的磁场能量和向核外输送电磁能从而改变核内与核外的磁场。

这一过程可以用方程表示：

方程式右端为电磁力，其中j 为电流密度；（对整个液核积分）代表运动（V）反抗电磁力做功；WH为液核中的总磁能；Jσ为液核中的焦耳热损耗率；FE为单位时间内通过液核表面向外输送的电磁能。对于稳定发电机，核内和核外磁场不随时间变化，方程变为：Jσ=AH

即运动反抗电磁力做功所提供的能量全部用来补偿焦耳热损耗。

运动能量提供的方式与作用力有关。产生运动的力除电磁力外，主要是重力与流体静压力，液核内力学能量的转换方程为：

其中为液核总动能的减少率；FP为流体静压力通过液核表面向核内的能量输送率，重力做功在核内和表面上都将产生位能的释放；FG是在液核表面上由于质量交换所产生的位能释放率，例如地幔物质由于重力分异落入地核产生的能量交换即属此类；Gτ是由于沿着介质运动方向密度不均匀性产生的位能释放，热对流即属此类。发电机过程中流体运动反抗电磁力做功，或者以系统的动能减少为代价，或者由重力位能的释放和表面流体静压力做功来提供，当然也可以是几种因素的综合效果。当系统稳定时， FP+FG+Gτ=AH=Jσ

这时重力位能的释放与流体静力做功全部用来补偿焦耳热损耗。

非稳定状态下的能量转换方程则是

由地核内磁场的总能量（WH）和磁场的自由衰减时间，可以估计液核中焦耳热损耗（能量提供率。

能量来源

早期埃尔萨塞和布拉德都假定，长寿命放射性元素所维持的热对流是发电机能量的提供者。由Gτ可以估计，要提供1017尔格/秒的能量，则地核中单位质量的生热率需高达 100尔格/（克·秒）。而由地面总热流计算地壳中放射性元素的生热率仅有10-3～10-1尔格/（克·秒），两者相差几个量级，显然是不合理的。有人主张内核是由液态核凝固而成，这个过程至今还在继续，它所放出的潜热将维持热核的热对流，这同样会遇到量级上的困难。1968年马尔库斯（W.V.R.Malkus）由实验证实，在地球的进动过程中由于地幔与地核动力扁度的差异（见地球自转），两者将有不同的进动角速度，前者快于后者。由于地球是一个扁球体，地幔将迫使地核有相同运动的趋势，这时地幔通过FP对地核提供能量，可以维持地磁发电机。近年也有人对此提出异议，认为其量级远远不够。还有人主张若地球深部的化学分异和重力分异仍在进行，则重力位能的释放（Gτ，FG）将提供能量。可见，地核中的各种可能的能量来源，无不涉及地球演化与地球内部的物理状态等地球物理基本问题，在目前要得到满意的解答是困难的。

维持地磁场的物理模式

不管地核内的动力来源如何，只要液核内存在径向运动，由于处于深层的物质具有较小的角动量，内外层物质交换的结果，角动量守恒将使得外层转动角速度变慢而内层变快。从与地球一起转动的坐标系看，径向运动受到科里奥利力的作用。这个力矩在自转轴方向的分量是使内层和外层转动速度发生变化的动力。为考察沿径向的角速度差异的磁流体力学效应，将连续分布的角速度差异简化为具有不同角速度的A和B两层，外层A角速度为ωA，内层B角速度为ωB。设ωB>；ωA，这称为刚体液核模型。设液核中有原始的微弱磁场。考虑到星际磁场弥漫于整个星际空间，这种原始磁场的存在是有可能的。由于磁场的冻结效应，磁力线将随地核一起运动。如图1所示，原始磁场的磁力线将由于A、B两层的差速转动而被拉伸，形成沿绕纬圈方向的磁场。图1a为相对运动从开始经过半周[[Image:]]到一周[[Image: ]]时磁力线被拉伸的过程。自然，随着磁力线的伸长，磁力线反抗这种拉伸的张力也不断增加。这种过程一再反复，直到磁力线张力所产生的恢复力矩与由于对流所产生的机械力矩（科里奥利力）相对平衡时，磁场成为如图1b所示的形态，相对角速度也将维持一个稳定的常数。液核内形成如图1b所示的磁场没有径向分量，磁力线完全位于同一个球面上，这种场称为环型场。图1b所示的环型场在南北半球方向相反。由上述两个力矩的平衡可估计这种环型场的量级。考虑到磁场的冻结效应，传统看法都认为核内将有很强的环型场，布拉德计算得到的环型场可高达500高斯。最近也有人对这种高强度的环型场的存在提出异议。由于环型场没有径向分量，不管它强度多大，对于我们感兴趣的径向分量很强的核外偶极场都不会有所贡献。上述过程对外没有电磁能的输送。以上仅考虑了与径向运动相应的差速转动所产生的磁效应，而没有考虑径向运动本身的磁效应。与差速转动相似，由于冻结效应，径向运动与环型场相互作用又将环型场拖起或拉弯，形成如图2所示的磁力线环。上述科里奥利力V=2r×（V×w），除有沿地球转轴方向的力矩外（使得液核角速度改变），还将有同转轴方向垂直的分量，这个力矩将把磁力线环从纬度方向（图1）扭转到子午面内。对向上、向下的运动，所受力矩方向相反；同样在南半球与北半球，这个力矩方向也相反。因此尽管对应于上、下运动的磁力线环方向相反，南北半球的线环方向也不同，但在这一力矩的作用下，子午面内的磁环将是同序的逆时针方向（图3）。与环型场不同，被扭曲的磁场已经有了与初始微弱磁场同向的分量，这样的元过程遍布液核各处，统计结果，有可能加强原始微弱磁场。上述过程称为埃尔萨塞－帕克模型。除这个模型外，还有著名的布拉德-格尔曼-利利过程，它与埃尔萨塞模型有相似的物理图像。无论是埃尔萨塞或布拉德模型都可通过求解线性磁流体力学方程，从数学理论上证明稳定发电机的存在。由此可知，即使是大大地简化了的物理图像，也涉及到地核中很复杂的过程。一般发电机过程将涉及地核中更为复杂的湍流运动，因此有人称它为“湍流发电机”。

地磁场的倒转

属于非稳态发电机的内容，至今还没有如上述稳态发电机那样全过程的描述。若液核中的对流涡旋运动受到扰动将有可能使磁场极性反转。例如帕克曾证明，若液核中南北纬度25°之间的涡旋运动普遍消失，则地磁场将倒转。也有人主张地磁场倒转是非线性发电机过程的固有性质，即磁场和运动相互耦合，到一定程度线性发电机不再维持，非线性作用将有可能使地磁场倒转。

无论稳态和非稳态发电机过程学说，目前都很不完善。关于地磁场起源问题仍处于研究阶段

磁场生物

磁场强度

像海龟、鲸鱼、候鸟等众多迁徙动物均能走南闯北，每年可旅行几千公里，中途往往还要经过汪洋大海，但是还能测定精确的位置。科学家们发现，海龟能通过地球磁场和太阳及其他星体的位置来辨别方向。但对于迁徙中的海龟来说，仅有“方向感”是不够的，它们可能还有一张“地图”，用于明确自己的地理位置，最终到达某个特定的目的地。美国北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的肯洛曼研究小组发现，绿海龟对不同地理位置间的地磁场强度、方向的差别十分“敏感”，它们能通过地磁场为自己绘制一张地图。

地理子午线

信鸽能在遥远的地方飞回而不迷失方向，也是由于地磁的帮助

地磁场的强弱叫地磁感（应）强度，地磁场的磁子午线与地理子午线间的夹角叫磁偏角，地球上某处地磁场方向与地面水平方向间的夹角叫磁倾角，这三个物理量称为“地磁三要素”。但是从地球的一个地方到邻近的另一个地方，地磁要素的变化一般都十分微小。

地磁场图记录了地球表面各点的地磁场的基本数据和它们的变化规律，它是航海、航空、军事以及地质工作不可缺少的工具。船舶和飞机航行时，用磁罗盘测得的是地磁方位角，因此只有知道了当时当地的磁偏角数值，才能确定地理方位和航行路线。

磁暴

一般来说，地磁要素的变化是很小的，但是跟太阳活动有密切联系的磁暴现象，却发生得十分突然。这是因为太阳黑子活动剧烈的时候，放出的能量相当于几十万颗氢弹爆炸的威力，同时喷射出大量带电粒子。这些带电粒子射到地球上形成的强大磁场迭加到地磁场上，使正常情况下的地磁要素发生急剧变化，引起“磁暴”。发生磁暴时，地球上会发生许多奇异的现象。在漆黑的北极上空会出现美丽的极光。指南针会摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子也会迷失方向，四处乱飞。地磁场能阻挡宇宙射线和来自太阳的高能带电粒子，是生物体免遭危害的天然保护伞。

所以这个“超巨”的地磁场，对地球形成了一个“保护盾”，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物才得以生存滋长。如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线，会将最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，根本无法在地球上滋生。

地下资源

地球上某些地区的岩石和矿物具有磁性，地磁场在这些埋藏矿物的区域会发生剧变，利用这种地磁异常可探测矿藏，寻找铁、镍、铬、金以及石油等地下资源。

在发生强烈地震之前，地磁的三要素也都会发生改变，造成地磁局部异常的“震磁效应”。这是由于地壳中的岩石，有许多是具有磁性的，当这些岩石受力变形时，它们的磁性也要跟着变化，从而可以较正确地作出“震前预报”。

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