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地球磁場分布-地球周圍空間分布的磁場地球磁場（the earth magnetic field）是地球周圍空間分布的磁場。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。磁力線分布特點是赤道附近磁場的方向是水平的，兩極附近則與地表垂直。赤道處磁場最弱，兩極最強。地球表面的磁場受到各種因素的影響而隨時間發(fā)生變化。 地球磁場由基本磁場、外源磁場和磁異常三部分組成。 基本磁場也叫正常場。占地球磁場的99%以上。基本磁場主要由地核內(nèi)電流的對流形成．它是一種內(nèi)源磁場。 磁異常是地下巖礦石或地質(zhì)構(gòu)造受地球磁場磁化后，在其周圍空間形成并疊加在地球磁場上的次生磁場。
地球磁層地球磁場（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(jīng)探測到太陽風(fēng)的存在。太陽風(fēng)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。 因為太陽風(fēng)是一種等離子體，所以它有磁場，太陽風(fēng)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(fēng)長驅(qū)直入。在地球磁場的反抗下，太陽風(fēng)繞過地球磁場，繼續(xù)向前運動，于是形成了一個被太陽風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場區(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5-7萬公里。在太陽風(fēng)的壓縮下，地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠(yuǎn)，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個特殊的界面，在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微，厚度大約有1000公里。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(fā)現(xiàn)，在中性片兩側(cè)約10個地球半徑的范圍里，充滿了密度較大的等離子體，這一區(qū)域稱作等離子體片。當(dāng)太陽活動劇烈時，等離子片中的高能粒子增多，并且快速地沿磁力線向地球極區(qū)沉降，于是便出現(xiàn)了千姿百態(tài)、絢麗多彩的極光。由于太陽風(fēng)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(qū)叫做磁鞘，厚度為3-4個地球半徑。 磁極位置
分布地球磁場的形成具有一定特殊性，按照旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場假說，地球在自轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)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(yīng)該感受到地球磁場的，因為人靜止于地球表面，隨地球一同轉(zhuǎn)動，所以地球上的人是無法感覺到地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場效應(yīng)的。通常所說的地球磁場只能算作地球表面磁場，并不是地球的全球性磁場（又稱空間磁場），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。美國科學(xué)家在試驗中發(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，地球表面的人雖然感覺不到地球的自轉(zhuǎn)，但卻能感覺到地核旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的質(zhì)量場效應(yīng)，就是它產(chǎn)生了地球的表面磁場。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)軸不在一條直線上，所以由地核旋轉(zhuǎn)形成的地球磁場兩極與地理兩極并不重合，這就是地球磁場磁偏角的形成原因。 變化規(guī)律科學(xué)家們在對地球磁場的研究中發(fā)現(xiàn)，地球磁場是變化的，不僅強度不恒定，而且磁極也在發(fā)生變化，每隔一段時間就要發(fā)生一次磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。早在二十世紀(jì)初，法國科學(xué)家布律內(nèi)就發(fā)現(xiàn)，70萬年前地球磁場曾發(fā)生過倒轉(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，人們獲得了越來越多的地球磁場倒轉(zhuǎn)證據(jù)。如巖漿在冷卻凝固成巖石時，會受到地球磁場的磁化而保留著像磁鐵一樣的磁性，其磁場方向和成巖時的地球磁場方向一致。科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)，有些巖石的磁場方向與現(xiàn)代地球磁場方向相同，而有些巖石的磁場方向與現(xiàn)代地球磁場方向正好相反。科學(xué)工作者通過陸上巖石和海底沉積物的磁力測定，及洋底磁異常條帶的分析終于發(fā)現(xiàn)，在過去的7600萬年間，地球曾發(fā)生過171次磁極倒轉(zhuǎn)。距今最近的一次發(fā)生在70萬年前，正如布律內(nèi)所指出的那樣。 根據(jù)地球磁場起源理論，地球磁場磁極之所以發(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。但是，隨著地球向月球傳輸角動量，地球的自轉(zhuǎn)角速度越來越小。同時，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，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(zhuǎn)速度形成了地球磁場。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(zhuǎn)角速度不同步，這種情形并不能長久地保持下去，地核必然通過地幔軟流層物質(zhì)向地殼傳輸角動量，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，地球磁場就會在地球表面消失。地核與地殼間的角動量傳輸并不會到此為止，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，在地球表面就會感受到來自地核逆地球自轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場效應(yīng)。按照左手定則判斷，新形成的地球磁場的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(zhuǎn)速度處在減速狀態(tài)，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(fā)生一次倒轉(zhuǎn)的原因。 據(jù)測定，地球磁場發(fā)生倒轉(zhuǎn)前有明顯的預(yù)兆，地球的磁場強度減弱直至為零，隨后，約需一萬年的光景，磁場強度才緩緩恢復(fù)，但是，磁場方向卻完全相反。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球磁場方向如何發(fā)生變化，但是，在太空中地球磁場的方向卻始終是不變的。因為在太空中測得的地球磁場，是整個地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場效應(yīng)，并不會因為地殼與地核相對速度的改變而發(fā)生變化。根據(jù)左手定則，在太空中測得的地球磁場的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)生的磁場強度與電流強度成正比，即與導(dǎo)體內(nèi)“定向移動”的自由電子數(shù)目成正比。而每個電子的自旋角動量又是恒定的，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，宏觀物體產(chǎn)生的磁場強度，也應(yīng)與旋轉(zhuǎn)質(zhì)量場的角動量成正比，即與物體的質(zhì)量和自旋角速度成正比，與質(zhì)量場的旋轉(zhuǎn)半徑（觀測點到物體質(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強度大于地表的磁場強度。空間磁場的最大特點是磁極恒定，不會像地球表面磁場那樣發(fā)生磁極倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 下一篇臺式高斯計戶外使用場景 |
