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地球磁場(chǎng)分布-地球周?chē)臻g分布的磁場(chǎng)地球磁場(chǎng)（the earth magnetic field）是地球周?chē)臻g分布的磁場(chǎng)。它的磁南極大致指向地理北極附近，磁北極大致指向地理南極附近。磁力線(xiàn)分布特點(diǎn)是赤道附近磁場(chǎng)的方向是水平的，兩極附近則與地表垂直。赤道處磁場(chǎng)最弱，兩極最強(qiáng)。地球表面的磁場(chǎng)受到各種因素的影響而隨時(shí)間發(fā)生變化。 地球磁場(chǎng)由基本磁場(chǎng)、外源磁場(chǎng)和磁異常三部分組成。 基本磁場(chǎng)也叫正常場(chǎng)。占地球磁場(chǎng)的99%以上。基本磁場(chǎng)主要由地核內(nèi)電流的對(duì)流形成．它是一種內(nèi)源磁場(chǎng)。 外源磁場(chǎng)是起源于地球外部并疊加在基本磁場(chǎng)上的各種短期磁變化。主要有：與太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期一致的磁變化；日變化，日變化與太陽(yáng)輻射對(duì)高空電離層的影響有關(guān)；磁暴。 磁異常是地下巖礦石或地質(zhì)構(gòu)造受地球磁場(chǎng)磁化后，在其周?chē)臻g形成并疊加在地球磁場(chǎng)上的次生磁場(chǎng)。
地球磁層地球磁場(chǎng)（the earth magnetic field）不是孤立的，它受到外界擾動(dòng)的影響，宇宙飛船就已經(jīng)探測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)的存在。太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)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?yàn)?a target="_blank" data-log="text">太陽(yáng)風(fēng)是一種等離子體，所以它有磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)對(duì)地球磁場(chǎng)施加作用，好像要把地球磁場(chǎng)從地球上吹走似的。盡管這樣，地球磁場(chǎng)仍有效地阻止了太陽(yáng)風(fēng)長(zhǎng)驅(qū)直入。在地球磁場(chǎng)的反抗下，太陽(yáng)風(fēng)繞過(guò)地球磁場(chǎng)，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，于是形成了一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場(chǎng)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(wàn)公里。在太陽(yáng)風(fēng)的壓縮下，地球磁力線(xiàn)向背著太陽(yáng)一面的空間延伸得很遠(yuǎn)，形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，稱(chēng)為磁尾。在磁赤道附近，有一個(gè)特殊的界面，在界面兩邊，磁力線(xiàn)突然改變方向，此界面稱(chēng)為中性片。中性片上的磁場(chǎng)強(qiáng)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(xiàn)向著地球，南面的磁力線(xiàn)離開(kāi)地球。1967年發(fā)現(xiàn)，在中性片兩側(cè)約10個(gè)地球半徑的范圍里，充滿(mǎn)了密度較大的等離子體，這一區(qū)域稱(chēng)作等離子體片。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈時(shí)，等離子片中的高能粒子增多，并且快速地沿磁力線(xiàn)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(yáng)風(fēng)以高速接近地球磁場(chǎng)的邊緣，便形成了一個(gè)無(wú)碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過(guò)渡區(qū)叫做磁鞘，厚度為3-4個(gè)地球半徑。 磁極位置
分布地球磁場(chǎng)的形成具有一定特殊性，按照旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場(chǎng)假說(shuō)，地球在自轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生磁場(chǎng)。但是，從運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的觀(guān)點(diǎn)考慮，居住在地球上的人是不應(yīng)該感受到地球磁場(chǎng)的，因?yàn)槿遂o止于地球表面，隨地球一同轉(zhuǎn)動(dòng)，所以地球上的人是無(wú)法感覺(jué)到地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)效應(yīng)的。通常所說(shuō)的地球磁場(chǎng)只能算作地球表面磁場(chǎng)，并不是地球的全球性磁場(chǎng)（又稱(chēng)空間磁場(chǎng)），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(guó)科學(xué)家在試驗(yàn)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(shuō)，地球表面的人雖然感覺(jué)不到地球的自轉(zhuǎn)，但卻能感覺(jué)到地核旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的質(zhì)量場(chǎng)效應(yīng)，就是它產(chǎn)生了地球的表面磁場(chǎng)。科學(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(xiàn)上，所以由地核旋轉(zhuǎn)形成的地球磁場(chǎng)兩極與地理兩極并不重合，這就是地球磁場(chǎng)磁偏角的形成原因。 變化規(guī)律科學(xué)家們?cè)趯?duì)地球磁場(chǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)，地球磁場(chǎng)是變化的，不僅強(qiáng)度不恒定，而且磁極也在發(fā)生變化，每隔一段時(shí)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(guó)科學(xué)家布律內(nèi)就發(fā)現(xiàn)，70萬(wàn)年前地球磁場(chǎng)曾發(fā)生過(guò)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(lái)越多的地球磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)證據(jù)。如巖漿在冷卻凝固成巖石時(shí)，會(huì)受到地球磁場(chǎng)的磁化而保留著像磁鐵一樣的磁性，其磁場(chǎng)方向和成巖時(shí)的地球磁場(chǎng)方向一致。科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)，有些巖石的磁場(chǎng)方向與現(xiàn)代地球磁場(chǎng)方向相同，而有些巖石的磁場(chǎng)方向與現(xiàn)代地球磁場(chǎng)方向正好相反。科學(xué)工作者通過(guò)陸上巖石和海底沉積物的磁力測(cè)定，及洋底磁異常條帶的分析終于發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去的7600萬(wàn)年間，地球曾發(fā)生過(guò)171次磁極倒轉(zhuǎn)。距今最近的一次發(fā)生在70萬(wàn)年前，正如布律內(nèi)所指出的那樣。 根據(jù)地球磁場(chǎng)起源理論，地球磁場(chǎng)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(shí)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(chǎng)。但是，隨著地球向月球傳輸角動(dòng)量，地球的自轉(zhuǎn)角速度越來(lái)越小。同時(shí)，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(dòng)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(shí)，在地球表面第一次可以感受到磁場(chǎng)的存在，地核以大于地殼的自轉(zhuǎn)速度形成了地球磁場(chǎng)。按照左手定則，磁場(chǎng)的N極在地理南極附近，磁場(chǎng)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(zhǎng)久地保持下去，地核必然通過(guò)地幔軟流層物質(zhì)向地殼傳輸角動(dòng)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(shí)，地球磁場(chǎng)就會(huì)在地球表面消失。地核與地殼間的角動(dòng)量傳輸并不會(huì)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(shí)，在地球表面就會(huì)感受到來(lái)自地核逆地球自轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場(chǎng)效應(yīng)。按照左手定則判斷，新形成的地球磁場(chǎng)的N極在地理北極附近，S極在地理南極附近。從較長(zhǎng)的時(shí)期看，整個(gè)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(duì)速度卻是呈周期性變化的，這就是每隔一段時(shí)間地球磁場(chǎng)就要發(fā)生一次倒轉(zhuǎn)的原因。 據(jù)測(cè)定，地球磁場(chǎng)發(fā)生倒轉(zhuǎn)前有明顯的預(yù)兆，地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱直至為零，隨后，約需一萬(wàn)年的光景，磁場(chǎng)強(qiáng)度才緩緩恢復(fù)，但是，磁場(chǎng)方向卻完全相反。地球磁場(chǎng)強(qiáng)度有逐漸減弱的趨勢(shì)，在過(guò)去的4000年中，北美洲的磁場(chǎng)強(qiáng)度已減弱了50%，這說(shuō)明地核相對(duì)地殼的速度差正在縮小。值得說(shuō)明的是，無(wú)論地球表面測(cè)得的地球磁場(chǎng)方向如何發(fā)生變化，但是，在太空中地球磁場(chǎng)的方向卻始終是不變的。因?yàn)樵谔罩袦y(cè)得的地球磁場(chǎng)，是整個(gè)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場(chǎng)效應(yīng)，并不會(huì)因?yàn)榈貧づc地核相對(duì)速度的改變而發(fā)生變化。根據(jù)左手定則，在太空中測(cè)得的地球磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度成正比，即與導(dǎo)體內(nèi)“定向移動(dòng)”的自由電子數(shù)目成正比。而每個(gè)電子的自旋角動(dòng)量又是恒定的，所以磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際上是與所有電子的自旋角動(dòng)量之和成正比。同理，宏觀(guān)物體產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也應(yīng)與旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場(chǎng)的角動(dòng)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(chǎng)的旋轉(zhuǎn)半徑（觀(guān)測(cè)點(diǎn)到物體質(zhì)心的距離）成反比。 在近地球的宇宙空間，地球所形成的空間磁場(chǎng)強(qiáng)度大于地表的磁場(chǎng)強(qiáng)度。空間磁場(chǎng)的最大特點(diǎn)是磁極恒定，不會(huì)像地球表面磁場(chǎng)那樣發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 |
