地磁场的结构和作用

地磁场的结构和作用

作者： 河北师范大学教授 宋彬

【摘要】地磁场在近一个世纪里，呈现出加速变化的趋势，地磁环境因此正在成为人类生存环境的一个热点。本文客观的介绍地磁场的结构和作用，分为两部分，第一部分概括了地磁翻转现象、地磁场的成因、三要素和组成部分，第二部分分条列举了地磁场的作用。

关键字：地磁场 地磁翻转 双耦合发电盘 磁层

1地磁场结构

1.1地磁三要素

怎样描述某一地点的地磁场呢？

我们不能感受到地磁场的存在，然而通过它作用于别的物体，不难将它认出。将一块磁铁平放到纸版下面在上面撒些铁屑并抖动纸板就会看到铁屑有规则的排成弧形线条分别向磁铁两极集中，铁屑线条是磁力线的反映。对于地球这个大磁场我们用指南针。指南针所指的方向正是磁力线在水平面上的投影，与地理正北方方向呈一夹角称磁偏角。磁偏角大小各处都不同。

指向南北的磁力线与地表的水平面之间一般也是斜交的在使用指南针时表现为磁针一端下垂另一端翘起，这个磁针北端与水平面的交角被称为磁倾角。通常以磁针北端向下为正值向上为负值。地球表面磁倾角为0°的个点称为地磁赤道；由地磁赤道到地磁北极，磁倾角由0°逐渐变为+90°，有抵触吵到到底次南极，磁倾角由0°逐渐变为-90°。 地磁场总磁力作用的方向，可以通过磁偏角、磁倾角来表现,但不能表示磁力作用大小，某一地点磁力强度大小的绝对值由磁感应强度来表示，这必须用磁力仪来测定，以特斯拉为计量单位地球的磁感应强度一般很弱，平均为50微特斯拉，只有永久磁铁的万分之一左右。 磁感应强度、磁倾角、磁倾角被称为地磁的三要素。把握住它们，我们就能对某个地方能够的磁场状况得到比较清楚的认识。

1.2地磁场的组成

宏观上讲，在地球中心如同存在一块柱状的大磁铁，这个假定的柱被称为磁偶极子，有它产生的偶极子磁场占地磁场成分的95％以上，是构成稳定地磁场的主体，即地球的基本磁场，基本磁场的强度在在地表附近较强，向上自在空气其中逐渐减弱这说明它主要为地内因素所控制。按照现在科学已达到的认识，除去基本磁场外，还包括两种成分：变化磁场和磁异常。

变化磁场具有日变化、年变化、多年（短周期和长周期）变化以及突发性变化，它的产生主要由于来自地球外部的带电粒子的作用，这样产生出来的是非偶极磁场，叠加在基本磁场上。太阳是这些带电粒子的主要来源，平时他通过太阳风持续不断年发射出比较稳定的粒子流，而它的表面出现黑子、耀斑正对着地球时会把大量带电的粒子抛向地球，是叠加在基本磁场上的变化磁场突然增强，实地磁场发生大混乱，出现磁暴。磁暴不仅使指南针失灵，还干扰无线电通讯和人类的正常工作，常在地球两极产生极光。地磁场对着太阳的一面受到太阳风的压迫不得不退缩，太阳风在受到磁场阻挡后迂回绕行，将它包围起来，地磁场背着太阳的一面随之被拉伸的很远形成一个在高层大气之外，形状类似彗星的磁性包层，这就是地球磁层（如下图8-3）。太阳风与地磁场相持不下所形成的曲面是磁层的边界叫磁层顶，

到这里也就到磁场的边界了。在朝向太阳的一面，磁层顶离地心约五万到七万多千米远；背着太阳的一面可能是这些数字的一百倍以上。地磁场中非偶极子磁场主要是这种流动的电磁感应产生的。太阳风带

来了太阳磁场的影响，

在离太阳比地球还远十

倍的星际空间存在着太

阳风和太阳磁场,磁层顶

是地球的变化磁场与太

阳磁场保持相对平衡，

时有进退的过渡带。

磁异常 地壳浅部

具有磁性的岩石或矿石

所引起的局部磁场它也

叠加在基本磁场之上。

一个地方的磁异常首先

通过对实测磁场强度进

行变化磁场的校正，然

会再减去基本磁场的正

常值来求得。地壳内含铁较多的矿石和富含铁元素的矿体常引起正磁异常，而高岩矿床石油天然气储层、富水地层和富水的岩石破碎带常引起负磁异常，利用这种局部的此异常了解地下地质情况，利用此方法进行找矿、勘探工作。

1.3地磁翻转现象

在地质时期，地表附近的岩石都被当时的古地磁场所永久磁化，岩石的这种磁性称为剩余磁性，借助地质时期的岩石剩余磁性我们可以恢复不同时期古地磁场。 现今地磁场的地磁极余地利己的位置比较接近，但不重合。地磁极围绕地理极附近作小幅度周期性迁移。数千年来，地磁极的平均位置可以看作与地理极基本重合。根据这一原理,可以把地质历史时期的古地磁极近似当做古地理极，把古地磁场的磁子午线当做古地理经线。 地磁场的磁倾角之间有一个简单的公式：

tag=1/2tagI(I为磁倾角，为地理纬度)

古地磁场磁倾角可以换算成古地理纬度线。因而岩石在形成时期所产生的剩余磁化方向就可以用来大致确定古经线方向，用古磁倾角可以确定当时所处的古纬度。

在测定岩石的剩余磁场时发现了相当一批岩石的磁化方向与现在地磁场方向相反，于是就认为地磁场发生了180°改变，磁北极与磁南极对调，这种现象被称为地磁场翻转。随后越来越多的事实证明在地球历史上确实发生过这种变化，还一再的发生。 1906年，法国科学家在考查法国司马夫中央山脉地区溶岩时，发现那里的岩石具有与地磁场方向相反的磁性，后来此类发现不断增加。随着研究的深入，人们终于确信，地磁场方向并非一直不变。近年来，许多地质学家一致认为在过去的7600万年中地磁至少反转过171次。因为许多国家已经从地质勘测中查到了地磁反转的证据。更有甚者，地球的主要地磁场从1830年首次测量至今，已经减弱了近10%。这比在失去能量来源的情况下磁场自然消退的速度大约快20倍！

科学家们通过对海底熔岩的研究发现，地球的磁场曾经发生过多次翻转。众所周知，炽热的岩浆中含有数以万计的矿物质，就好像一个个“小指南针”。当岩浆冷却下来后，这些“指南针”也被固定住不再发生变化。这样，其“南北极”的指向就记录了当时地球磁场的

方向。研究表明，地球磁场平均每50万年翻转一次，而最近一次的翻转发生在78万年前。 在右图中列出了距

今500万年以来(a)、距

今8千万年以来和距今

2亿5千万年到5千万年

前(c)的古地磁(极性)年

表。从这些表中可以看

出，地球磁极性的变化

并没有明显的周期性。

表(a)中是不同地磁方向

时期的名称，而表(b)和

(c)中则是不同地质时期

的名称。这种表示地球

磁极性随年代变化的年

表称为古地磁(极性)年

表。另外，还可以根据

古岩的剩余磁性以及古

陶瓷等文物的剩余磁性

等来确定古人类和古文

物的年代，称为考古磁

学。我国曾利用古地磁

断代方法测定北京人、

云南元谋猿人和四川巫

山人的年代，结果同其他科学考古断代方法测定的年代是一致的。

由于一百多年来磁场不断减弱，人们不禁担心，地球磁场的又一次“大变脸”是否即将来临。对于人类和所有生物来说，地磁变换是灾难性的。地磁消失后，宇宙中的各种射线都会直达地表，地球上生活的生物将失去“保护伞”，受到强烈辐射的伤害。还有科学家认为，地磁场改变导致染色体畸变，会使动植物发生变异生长，还会使一些被压制的地壳运动提前。因此，地球磁极的变换是人类面临的最大的威胁。

1.4基本地磁场的成因

要真正的认识地磁场，就要弄清楚它的成因,关于地磁场的成因一直以来也没有定论，以下是假说和观点我们小组经过讨论认为是最科学合理的解释。 由上所述，地球可视为一个磁偶极子，根据科学家

的研究，地磁极的大概位置是：地磁南极在东经140°、

南纬67°的南极洲威尔克斯附近；地磁北极在西经

100°、北纬76°的北美洲帕里群岛附近。通过这两个

磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.5度

的倾斜。也就是说地磁南北极和地理的南北极并不重合。

科学家还发现，地磁南北极的地理位置不是固定不

变，而是在缓慢变化着的。位于地球中心的大磁铁产生

出磁场，是最早出现的地磁成因假说。但是居里先生的

发现使这个似乎完美的假说受到了挑战。因为使石岩获

得或丧失磁性的居里点温度一般为500～600℃，而在岩

石圈下，温度已超过1000℃，因此地球中心即便是铁，也不应该有磁性。地震波研究告诉我们，地核的外部是液态的，给地球中心具有电磁场的假说带来了新的希望，因为只要地核原来存在微弱的磁场，这些液态铁的非均匀运动就会发生扰动、漩涡，产生感应电流，不断增强原有电磁场，逐渐形成较稳定的地电磁场。铁质的地核不能成为一块磁铁，但相当于一个发电机系统。是“非稳定发电机”假说（20世纪40～50年代形成）。正是这种非稳定发电机模式，有可能解释地磁翻转。

70年代许多学者用“双耦合发电盘”作出了解释：两部线路连通在运动过程中旋转角度不同会产生扰动，系统电流也变化，当电流扰动大到一定程度系统，系统电流就可反向流动，从而造成磁场的翻转。

如果要实现上述假说必然会碰到磁流体发电机的“能量来源问题”。不少人想用外壳中液态物质径向对流、物质分歧、放射性元素蜕变放热或地核与地幔自转轴运动差异来解释，但在计算中得不到满意结果。1977年斯泰西（F .D .Stacey )最早假设地核旋转运动速度为10千米每年，而地幔几乎不动，据此推断出它们运动速度的差异，产生的能量与液态外壳形成的地磁场所需能量基本相同。90年代以来已有好多地理学家用数值模拟的方法，假设地球内核比液态外壳转得快（例如每500年多转一圈）经过几千年就可以形成相对稳定的地磁场，在一定时期之后其极性又可以翻转。近年来，宋晓东与李查斯（1996）通过地震波的系统研提出内核比地幔每年转快1.1°的结论，为地磁场非稳定发电机的成因机制提供了有力的支持，使以上所述地磁场成因假说得到了更广泛认可。

2地磁场的作用

2.1它保护了地球大气的存在，不被太阳风吹跑！

地球外围有一层厚厚的大气，而太阳每时每刻地向外发射着太阳风，太阳风的成分包括：带电粒子（带正电的粒子和带负电的离子）、能量粒子（可见光、红外线、紫外线、X射线等）和电中性的中子，其中带电粒子对空气分子的碰撞力最大，像彗星运动到太阳附近一样，彗星上的物质会沿着太阳风的方向被吹走，地球上的空气之所以不被吹跑呢,这就是地磁层存在的意义。大家知道，带电粒子在磁场中会受到磁场的作用而发生偏转，这种力称为“洛仑兹力”，其方向可以用左手去判定：伸出左手，让大拇指与其余四指垂直在同一个平面内，手心对准磁场北极，四指指向正电荷运动的方向，那么，大拇指所指的方向，就是正电荷受力的方向。根据这个判定，太阳风中带正电的粒子进入地球磁层以后，会受到洛仑兹力而向东偏转，带负电的离子受到洛仑兹力会向西运动，由于它们受到地磁场的作用力而发生了偏转，不能够直线运动去吹动地球上的大气，所以，保护了地球大气的存在，同时，也保护了水分的存在，因为，水能够蒸发而成为气体，如果被太阳风吹走，地球上的生命就不存在了，人类也就不存在了。月球上之所以没有空气，是因为它没有比较强的月球磁层，并不是它的引力小而吸引不住空气！

2.2它保护了地球生命体不受伤害

在太阳风的辐射中，对生命体能够造成直接伤害的还是各种带电粒子，由于这些带电粒子受到地球磁层的作用而发生偏转，不能够直接射到地面上来，因此，它保护了地球上的生命体，同时也保护了人类。

2.3它保护了地球上的一些用电器

在太阳风的辐射物中，仍然是带电粒子对地球上的各种物体具有破坏作用，它像一发一发的炮弹，如果打击到各种物体上，就会造成物体表面的破坏，尤其是用电器的电路以及它们的绝缘层，据一些资料显示，如果太阳发生“磁暴”，会干扰地球磁层，此时，许多的能量比较大的带电粒子射到地面上来，它能够穿透用电器的外壳，这些用电器的绝缘层受到破坏而造成短路，某变电站变压器的着火，就是这个原因造成的。

2.4它是电离层产生的重要因素

在太阳风的辐射物中，带电粒子的偏转，能够与大量的空气分子发生碰撞，造成空气分子的电离，所谓电离，这些“自由电子”对反射电磁波有重要作用，如果没有电离层的存在，人类的无线电通讯就会受到影响。

2.5它是产生臭氧层的重要条件

在太阳风的辐射物中，带电粒子的偏转能够与大量的空气分子发生碰撞使空气分子发生电离，其中有被电离的氧气分子和氧原子，它们在重新结合为分子的过程，有些结合为臭氧分子，在这些含有大量臭氧分子的区域，被科学家们称为臭氧层，说它们可以阻挡紫外线，它对地球生命体具有保护作用。

此外在夏季，空气的温度比较高，在太阳光的辐射下，空气分子就能够发生电离，因此，空气中存在大量的带电粒子，包括许多的漂浮电子，在风力的作用下，这些带电粒子在地磁场中运动就会受到“洛仑兹力”而发生偏转，由于带正电性的和带负电的受到“洛仑兹力”方向相反，这样就能够形成大量的带电的云团，由于带电云团之间容易出现放电，这就是雷电，雷电的产生对臭氧的形成有非常积极的意义，人们都说臭氧能够阻挡紫外线，对保护地球的生命有重要的作用，此外，雷电的产生能够使空气中的氮与氧化合而形成氮的氧化物，对于促进植物的光合作用有非常积极的作用。

最近几年人们利用人造卫星发现，在地球南极的上空，存在有“臭氧空洞”，所谓臭氧空洞是指地球的上层空间臭氧含量非常少区域，科学家们认为这是人类活动，有大量“氟利昂”泄露，破坏了臭氧，造成了臭氧空洞的出现，那么，没有人提问：为什么在人类生活的北半球的上层空间没有臭氧空洞，而在人迹没有的南极上空出现臭氧空洞呢？实际上，在南极的上空某一定的区域，由于地磁场磁力线与太阳风射来的方向一致，大量的带电粒子不能够受到“洛仑兹力”而发生“有效偏转”，不能够与空气分子发生碰撞，使空气分子发生电离，因此，氧离子和氧原子结合为臭氧的几率降低，这样就出现了在一区域的臭氧稀薄，也就是所谓的臭氧空洞，造成“臭氧空洞”的罪魁祸首不一定是“氟利昂”！

2.6促成了极光的产生。

极光的形成主要是由于太阳的带电微粒发射到地球磁场的势力范围，受到地球磁场的影响，从高纬度进入地球的高空大气，激发了高层空气质粒而造成的发光现象。地球是一块巨大的磁石，而它的磁极在南北两极附近。我们知道，指南针总是指着南北方向，就是因为受了地磁场的影响。从太阳射来的带电微粒流，也要受到地磁场的影响，而且使带电微粒流聚集在磁极附近。所以极光大多在南北两极附近的上空出现。在南极发生的叫南极光，在北极发生的叫北极光。

由于地磁场具有方向性。人们可以利用它指示方向（使用指南针），这对航海、探险以及科学考察有重要意义。很多动物也是利用地磁场的方向来辨别方位进行迁徙的。

参考文献> 地质出版社 陶世龙 万天丰 程捷 编著

> 高等教育出版社 刘南主编