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地球物理学基础(《中国大百科全书（第2版）》读书笔记8615-地磁场)
大学专业
2022-11-12 19:15:07
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《中国大百科全书（第2版）》读书笔记8615-地磁场
地磁场 geomagnetic field
从地核至地球磁层边界的空间范围内的磁场。地磁场是地磁学的主要研究对象。
人类对于地磁场存在的认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极。这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的。
吉伯制作了一个大的球形磁石，在它的表面附近放置一些小磁棒，他发现这些磁棒的取向就像地球表面的磁针一样。由此，他认为地球是一个巨大的磁石，并以此来解释地磁场的存在。
实际上，地球并不是一块大磁石。但吉伯的推断所表明的地磁场来源于地球本体的假定却是正确的，这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次用球谐函数分析所证实。
1.性质
地磁场是一个矢量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素。例如，在球坐标系下通常用地磁场总强度F、磁偏角D和磁倾角I来表示地磁场。
因指南针、磁罗盘是测定磁偏角最简单的装置，所以磁偏角的发现和测定也最早。特别是出于航海的需要，早期海上磁偏角的测定更为系统。1702年英国哈雷发表了第一幅大西洋磁偏角等值线图，1768年维尔克又绘制了世界磁倾角等值线图。但直到1832年高斯提出地磁场强度的测量方法后，才开始有完备的地磁场测定。
近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体或磁棒的磁场，其强度在地面两极附近还不到1高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马（γ），即高斯(Gs)。1960年决定采用特[斯拉]（T）作为国际测磁单位，1特=10000高斯，1伽马=特=1纳特(nT)。
地磁场虽然很弱，但却延伸到很大的空间。它犹如一个幔帐，保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。地磁场是地球环境的主要因素之一。
地磁场包括基本磁场和变化磁场两部分，它们在成因上完全不同。地球基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，并且变化非常缓慢。这种缓慢的地磁场变化称为地磁场长期变化。地球变化磁场是地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，并且很微弱。
2.地球基本磁场
可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。
偶极子磁场是地磁场的基本成分，约占地磁场的90％，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。
非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个辽阔的地域，平均强度约占地磁场10％，场源在地球内部何处目前还有争议。
地磁异常又分为区域异常和局部异常，系由地壳内具有磁性的岩层和矿体等所形成。
3.地球变化磁场
可分为平静变化和干扰变化两大类型。
平静变化包括以一个太阳日为周期的太阳静日变化（Sq）和以一个太阴日为周期的太阴日变化（L），变化幅度分别为10～100纳特和1～3纳特。场源是分布在电离层中的永久性的电流体系。
干扰变化包括磁暴()、地磁亚暴、太阳扰日变化（）和地磁脉动等。场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。
磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为1～3天，幅度可达100纳特。地磁亚暴主要是极光区的磁扰，具有不同类型，其中主要类型是地磁湾扰，持续时间约为1～3小时，幅度约为100～1000纳特。
太阳扰日变化具有周期性，周期也是一个太阳日，幅度约为10～100纳特，不过它也主要是极光区的磁扰。地磁脉动是各种短周期的地磁变化，周期从几秒到十几分钟，幅度从1纳特到大于100纳特，而在极光区幅度最大。
除外源场外，变化磁场还有内源场。这是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。将高斯球谐函数分析用于变化磁场，可将这种内、外场区分开。据此研究地球的电导率的分布，已成为地磁学的一个重要领域，称为地球电磁感应场。
20世纪初S.查普曼根据地磁静日变化和磁暴的内、外场的关系，得出深度为250～800千米和400～1000千米的上地幔电导率分别为和电磁单位。
地球变化磁场既与磁层、电离层的电磁过程相联系，又与地壳、上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学研究中都具有重要意义。
现代地磁场观测资料的积累还不足400年，但通过测定岩石的磁性以及古瓷器、古砖瓦、古炉灶等古物的磁性，可以研究古地磁场的方向、强度和磁极位置，从而可以了解地磁场在地质时期的演化史。
含有磁性矿物的岩石在其冷却或沉积过程中，经过焙烧的各种含有磁性的古物在其冷却时，因受到当时、当地的地磁场磁化作用而获得剩余磁性。这种剩余磁性的强度和方向同当时、当地的地磁场的强度和方向有关，这就是研究古地磁场及其演化历史的基础。古地磁场的研究和应用已发展成为地磁学的一个重要分支，称为古地磁学。
4.地磁场起源
地球物理学的基本问题之一。自1600年英国的W.吉伯提出“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。
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，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安/米，比与地磁场相当的均匀磁化球体的磁化强度72安/米约小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P.M.S.布莱克特发现，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”。由于有三个天体的支持，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。
与上述各种推测同时出现的是“自激发电机说”。1919年J.拉莫尔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20世纪40年代未和50年代初由W.M.埃尔萨塞、E.N.帕克和E.C.布拉德等人完成的，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，F.E.利利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，太阳系八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，认为自激发电机说是解释地磁成因的最有希望的理论。关于地磁极性倒转和地磁场起源问题仍处于探索阶段。
推荐书目
GUBBINS D. Energetics of the Earth&,39; s Core, J. Geophys, 1977(43).
LEVY E H. Dynamo Magnetic Field Generation. Rev. Geophys-Space Phys. 1979, 17(2).
摘自：《中国大百科全书（第2版）》第5册，中国大百科全书出版社，2009年
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