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目錄
No. 1
　　地球磁場 the earth magnetic field
概述
　　地球磁場言是偶極型的，近似於把一個磁鐵棒放到地球中心，使它的Ｎ極大體上對着南極而産生的磁場形狀。當然，地球中心並沒有磁鐵棒，而是通過電流在導電液體核中流動的發電機效應産生磁場的。
　　地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，宇宙飛船就已經探測到太陽風的存在。太陽風是從太陽日冕層嚮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。
　　因為太陽風是一種等離子體，所以它也有磁場，太陽風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。儘管這樣，地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅直入。在地球磁場的反抗下，太陽風繞過地球磁場，繼續嚮前運動，於是形成了一個被太陽風包圍的、彗星狀的地球磁場區域，這就是磁層。
　　地球磁層位於地面600～1000公裏高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面5～7萬公裏。在太陽風的壓縮下，地球磁力綫嚮背着太陽一面的空間延伸得很遠，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，磁力綫突然改變方向，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公裏。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力綫嚮着地球，南面的磁力綫離開地球。
　　1967年發現，在中性片兩側約10個地球半徑的範圍裏，充滿了密度較大的等離子體，這一區域稱作等離子體片。當太陽活動劇烈時，等離子片中的高能粒子增多，並且快速地沿磁力綫嚮地球極區沉降，於是便出現了千姿百態、絢麗多彩的極光。由於太陽風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叫做磁鞘，厚度為3～4個地球半徑。
　　地球磁層是一個頗為復雜的問題，其中的物理機製有待於深入研究。磁層這一概念近來已從地球擴展到其他行星。甚至有人認為中子星和活動星係核也具有磁層特徵。
形成原因
　　通常物質所帶的正電和負電是相等數量的，但由於地球核心物質受到的壓力較大，溫度也較高，約6000°c，內部有大量的鐵磁質元素，物質變成帶電量不等的離子體，即原子中的電子剋服原子核的引力，變成自由電子，加上由於地核中物質受着巨大的壓力作用，自由電子趨於朝壓力較低的地幔，使地核處於帶正電狀態，地幔附近處於帶負電狀態，情況就象是一個巨大的“原子”。
　　科學家相信，由於地核的體積極大，溫度和壓力又相對較高，使地層的導電率極高，使得電流就如同存在於沒有電阻的綫圈中，可以永不消失地在其中流動，這使地球形成了一個磁場強度較穩定的南北磁極。另外，電子的分佈位置並不是固定不變的，並會因許多的因素影響下會發生變化，再加上太陽和月亮 的引力作用，地核的自轉與地殼和地幔並不同步，這會産生一強大的交變電磁場，地球磁場的南北磁極因而發生一種低速運動，造成地球的南北磁極翻轉。
　　太陽和木星亦具有很強的磁場，其中木星的磁場強度是地球磁場的20至40倍。太陽和木星上的元素主要是氫和少量的氦、氧等這類較輕的元素，與地球不同，其內部並沒有大量的鐵磁質元素，那麽，太陽和 木星的磁場為何比地球還強呢？木星內部的溫度約為30000°c左右，壓力也比地球內部高的多，太陽內部的 壓力、溫度還要更高。這使太陽和木星內部産生更加廣阔的電子殼層，再加上木星的自轉速度較快，其自 轉一周的時間約10小時，故此其磁場強度自然也要比地球高的強。
　　事實上，如果天體的內部溫度夠高，則天體的磁場強度與其內部是否含有鐵、鈷、鎳等鐵磁質元素無關。由於太陽、木星內部的壓力、溫度遠高於地球，因此，太陽、木星上的磁場要比地球磁場強的多。而火星、水星的磁 場比地球磁場弱，則說明火星、水星內部的壓力、溫度遠低於地球。
　　關於地球磁場的形成原因，一種關於地球磁場成因的假說認為：地球磁場的形成原因和其它行星的磁場的形成原因是類似的，地球或其它行星由於某種原因而帶上了電荷或者導致各個圈層間電荷分佈不均勻。這些電荷由於隨行星的自轉而做圓周運動，由於運動的電荷就是電流，電流必然産生磁場。這個産生的磁場就是行星的磁場，地球的磁場也是類似的原因産生的。這個假說和各個行星磁場的有無和強弱現象符合的非常完美。
發現
　　歷史上，第一個提出地磁場理論概念的是英國人吉爾伯特。他在1600年提出一種論點，認為地球自身就是一個巨大的磁體，它的兩極和地理兩極相重合。這一理論確立了地磁場與地球的關係，指出地磁場的起因不應該在地球之外，而應在地球內部。
　　1893年，數學家高斯在他的著作《地磁力的絶對強度》中，從地磁成因於地球內部這一假設出發，創立了描繪地磁場的數學方法，從而使地磁場的測量和起源研究都可以用數學理論來表示。但這僅僅是一種形式上的理論，並沒有從本質上闡明地磁場的起源。
　　現在科學家們已基本掌握了地磁場的分佈與變化規律，但是，對於地磁場的起源問題，學術界卻一直沒有找到一個令人滿意的答案。
　　目前，關於地磁場起源的假說歸納起來可分為兩大類，第一類假說是以現有的物理學理論為依據；第二類假說則獨闢蹊徑，認為對於地球這樣一個宇宙物體，存在着不同於現有已知理論的特殊規律。
　　屬於第一類假說的有旋轉電荷假說。它假定地球上存在着等量的異性電荷，一種分佈在地球內部，另一種分佈在地球表面，電荷隨地球旋轉，因而産生了磁場。這一假說能夠很自然地通過電與磁的關係解釋地磁場的成因。但是，這個假說卻有一個致命缺點，首先它不能解釋地球內外的電荷是如何分離的；其次，地球負載的電荷並不多，由它産生的磁場是很微弱的，根據計算，如果要想得到地磁場這樣的磁場強度，地球的電荷儲量需要擴大1億倍纔行，理論計算和實際情況出入很大。
　　以地核為前提條件的地磁場假說也屬於第一類假說，弗蘭剋在這類假說中提出了發電機效應理論。他認為地核中電流的形成，應該是地核金屬物質在磁場中做渦旋運動時，通過感應的方式而發生的。同時，電流自身形式的場就是連續不斷的再生磁場，好像發電機中的情形一樣。弗蘭剋所建立的模型說明了怎樣實現地磁場的再生過程，解釋了地磁場有一定的數值。但是在應用這種模型的時候，卻很難解釋地核中的這種電路是怎樣通過圓形回路而閉合的。此外，這個模型也沒有考慮到電流對渦旋運動的反作用，而這種反作用是不允許渦旋分佈於平行赤道面的平面內的。
　　屬於第一類假說的還有漂移電流假說、熱力效應假說和霍爾效應假說等，但這些假說都不能全面地解釋地磁場的奇異特性。
　　關於地磁場起源還有第二類假說，這其中最具代表性的就是重物旋轉假說。
　　1947年，布萊剋特提出任意一個旋轉體都具有磁矩，它與旋轉體內是否存在電荷無關。這一假說認為，地球和其他天體的磁場都是在旋轉中産生的，也就是說星體自然生磁，就好像電荷轉動能産生磁場一樣。但是，這一假說在試驗和天文觀測兩方面都遇到了睏難。在現有的實驗條件下，還沒有觀察到旋轉物體産生的磁效應。而對天體的觀測結果表明，每個星球的磁場分佈狀況都很復雜，尚不能證明星球的旋轉與磁場之間存在着必然的依存關係。
　　因此上說，關於地磁場的起源問題，學術界仍處在探索與爭鳴之中，尚沒有一個具有相當說服力的理論，對地磁場的成因作出解釋。
分佈與變化規律
　　地磁場的形成具有一定特殊性，按照旋轉質量場假說，地球在自轉過程中産生磁場。但是，從運動相對性的觀點考慮，居住在地球上的人是不應該感受到地磁場的，因為人靜止於地球表面，隨地球一同轉動，所以地球上的人是無法感覺到地球自轉産生的磁場效應的。
　　通常所說的地磁場衹能算作地球表面磁場，並不是地球的全球性磁場（又稱空間磁場），它是由地核旋轉形成的。地球的內部結構可分為地殼、地幔和地核。美國科學家在試驗中發現，地球內外的自轉速度是不一樣的，地核的自轉速度大於地殼的自轉速度。也就是說，地球表面的人雖然感覺不到地球的自轉，但卻能感覺到地核旋轉所産生的質量場效應，就是它産生了地球的表面磁場。科學家在研究中還發現，地核的自轉軸與地球的自轉軸不在一條直綫上，所以由地核旋轉形成的地磁場兩極與地理兩極並不重合，這就是地磁場磁偏角的形成原因。
　　科學家們在對地磁場的研究中發現，地磁場是變化的，不僅強度不恆定，而且磁極也在發生變化，每隔一段時間就要發生一次磁極倒轉現象。
　　早在二十世紀初，法國科學家布律內就發現，70萬年前地磁場曾發生過倒轉。1928年，日本科學家鬆山基範也得出了同樣的研究結果。第二次世界大戰後，隨着古地磁研究的迅速發展，人們獲得了越來越多的地磁場倒轉證據。如岩漿在冷卻凝固成岩石時，會受到地磁場的磁化而保留着像磁鐵一樣的磁性，其磁場方向和成岩時的地磁場方向一致。科學家在研究中發現，有些岩石的磁場方向與現代地磁場方向相同，而有些岩石的磁場方向與現代地磁場方向正好相反。科學工作者通過陸上岩石和海底沉積物的磁力測定，及洋底磁異常條帶的分析終於發現，在過去的7600萬年間，地球曾發生過171次磁極倒轉。距今最近的一次發生在70萬年前，正如布律內所指出的那樣。
倒轉原因
　　根據地磁場起源理論，地磁場磁極之所以發生倒轉，是由地核自轉角速度發生變化而引起的。地殼和地核的自轉速度是不同步的，現階段地核的自轉速度大於地殼的自轉速度。然而，5.8億年前，情況卻不是這樣，那時地球表面呈熔融狀態，月球也剛剛被俘獲，地球從裏到外的自轉速度是一致的，地球表面不存在磁場。但是，隨着地球嚮月球傳輸角動量，地球的自轉角速度越來越小。同時，地球也漸漸形成了地殼、地幔和地核三層結構。地球自轉角動量的變化首先反映在地殼上，出現了地殼自轉速度小於地核自轉速度的情形。這時，在地球表面第一次可以感受到磁場的存在，地核以大於地殼的自轉速度形成了地磁場。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。地殼與地核自轉角速度不同步，這種情形並不能長久地保持下去，地核必然通過地幔軟流層物質嚮地殼傳輸角動量，其結果是地核的自轉角速度逐漸減小，地殼的自轉角速度逐漸增大。當地殼與地核的自轉角速度此增彼減而最終一致時，地磁場就會在地球表面消失。地核與地殼間的角動量傳輸並不會到此為止，在慣性的作用下，地殼的自轉角速度還在繼續增大，地核的自轉角速度繼續減小，於是出現了地殼自轉角速度大於地核自轉角速度的情形。這時，在地球表面就會感受到來自地核逆地球自轉方向的旋轉質量場效應。按照左手定則判斷，新形成的地磁場的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，整個地球的自轉速度處在減速狀態，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生一次倒轉的原因。
　　據測定，地磁場發生倒轉前有明顯的預兆，地球的磁場強度減弱直至為零，隨後，約需一萬年的光景，磁場強度纔緩緩恢復，但是，磁場方向卻完全相反。目前，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磁場方向如何發生變化，但是，在太空中地磁場的方向卻始終是不變的。因為在太空中測得的地磁場，是整個地球自轉産生的旋轉質量場效應，並不會因為地殼與地核相對速度的改變而發生變化。根據左手定則，在太空中測得的地磁場的n方向始終在地理南極上空。
　　在電磁感應效應中，通電導體産生的磁場強度與電流強度成正比，即與導體內“定嚮移動”的自由電子數目成正比。而每個電子的自旋角動量又是恆定的，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，宏觀物體産生的磁場強度，也應與旋轉質量場的角動量成正比，即與物體的質量和自旋角速度成正比，與質量場的旋轉半徑（觀測點到物體質心的距離）成反比。用公式表示為：
　　h = f mω/r = f 0 m / t r (f 0為常數，t為自轉周期，r為旋轉質量場半徑)
　　根據這一公式，在地球表面測得的磁場強度h，衹與地核的質量成正比，角速度ω的取值為地殼與地核自轉角速度之差，r為地球的半徑（地磁場強度為5×10-5特斯拉）。而地球在太空中形成的空間磁場，其磁場強度與整個地球的質量成正比，與地球的自轉角速度成正比（近似值），與觀測點到地球中心的距離成反比。因此，在近地球的宇宙空間，地球所形成的空間磁場強度大於地表的磁場強度。空間磁場的最大特點是磁極恆定，不會像地球表面磁場那樣發生磁極倒轉現象。
特性
　　地球的磁性, 是地球內部的物理性質之一。地球是一個大磁體, 在其周圍形成磁場, 即表現出磁力作用的空間, 稱作地磁場。它和一個置於地心的磁偶極子的磁場很近似, 這是地磁場的最基本特性。地磁場強度很弱, 這是地磁場的另一特性, 在最強的兩極其強度不到10-4(t), 平均強度約為0.6x10-4(t), 而它隨地點或時間的變化就更小, 因此常用(γ), 即10 -9(t)做為磁場強度單位。
特性
　　地球的磁性, 是地球內部的物理性質之一。地球是一個大磁體, 在其周圍形成磁場, 即表現出磁力作用的空間, 稱作地磁場。它和一個置於地心的磁偶極子的磁場很近似, 這是地磁場的最基本特性。地磁場強度很弱, 這是地磁場的另一特性, 在最強的兩極其強度不到10-4(T), 平均強度約為0.6x10-4(T), 而它隨地點或時間的變化就更小, 因此常用(γ), 即10 -9(T)做為磁場強度單位。
　　地球磁場的起源
　　關於地球磁場的來源，早期歷史上曾有來自北極星的傳說，但是到公元17世紀初就已經認識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當時仍不清楚地球磁場是怎樣産生的。隨着科學的發展，對於地球磁場觀測和地球結構的研究不斷增多和深入，對地球磁場的來源先後提出了10多種學說。這裏按照歷史的先後對一些各有一定根據或設想的地球磁場來源學說作簡單介紹：
　　(1)永磁體學說，是最早提出的一種學說，認為地球內部存在巨大的永磁體，由這永磁體産生地球磁場，但後來認識到地球內部溫度很高，不可能存在永磁體。
　　(2)內部電流學說，認為地球內部存在巨大的電流，形成巨大電磁體産生地球磁場，但是既未觀測到這種巨大電流，而且巨大電流也會很快衰減，不會長期存在。
　　(3)電荷旋轉學說(公元1900年，簡寫作1900)，認為地球表面和內部分別分佈着符號相反、數量相等的電荷，由地球自轉而形成閉合電流，由此電流産生磁場，但這學說缺乏理論和實驗基礎。
　　(4)壓電效應學說(1929)，認為在地球內部物質在超高壓力下使物質中的電荷分離，電子在這樣的電場中運動而産生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一(10-3)。
　　(5)旋磁效應學說(1933)，認為地球內的強磁物質旋轉可以産生地球磁場，但這種旋磁效應産生的磁場衹有地球磁場的大約千億分之一(10-11)。
　　(6)溫差電效應學說(1939)，認為地球內部的放射性物質産生的熱量，使熔融物質發生連續的不均勻對流，這樣産生溫差電動勢和電流，由此電流産生地球磁場，但理論估計也同地球磁場不符合。
　　(7)發電機學說(1946－1947)，認為是地球內部的導電液體在流動時産生穩恆的電流，由這電流産生地球磁場。
　　(8)旋轉體效應學說(1947)，是根據少數天體觀測得到的經驗規律，認為具有角動量的旋轉物體都會産生磁矩，因而産生磁場。這一學說需要使用一無科學根據的常數，5年後又被提出這一學說的科學家根據精密的實驗結果加以否定了。
　　(9)磁力綫扭結學說(1950)，認為在地球磁場磁力綫的張力特性和地核的較差自轉，會使原始微弱的地球磁場放大，由此産生地球磁場。
　　(10)霍爾效應學說(1954)，認為在地球內部由於溫度不均勻産生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下，會由霍爾效應産生霍爾電動勢和霍爾電流，由此産生地球磁場。
　　(11)電磁感應學說(1956)，認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風到達地球後，會通過地球內部的電磁感應和整流作用産生地球內部的電流，由此産生地球磁場。在這些學說中，衹有發電機學說(又稱磁流體發電機學說)在觀 測、實驗和理論研究上得到較多的證認，是目前研究和應用較多的地球磁場學說。
　　(12)自由電子旋轉說，是唯一中國人根據分子、原子學，結合地震波提供的地球深處高清圖像提出的學說。
　　地震産生的內部深層波動往往會在地核和地幔的介面上産生反射，反射波在傳遞到地表的過程中，如果碰到地下構造，就會發出微弱的信號。通過上千次地震得到的信號記錄以及1000多次的地震觀測，這支由MIT地球、大氣與行星學係(EAPS)教授RobvanderHilst領導的地球學家和礦物學家組成的跨學科小組得到了中北美洲高清晰度深層地球結構圖，從結構圖看地球外核是液體。
　　我們知道物質是由分子原子組成的，原子由原子核和電子組成。
　　火山爆發使我們知道地球內部是一個高溫世界。19世紀末，著名物理傢居裏在自己的實驗室裏發現磁石的一個物理特性，就是當磁石加熱到一定溫度時，原來的磁性就會消失。後來，人們把這個溫度叫“居裏點”。按照“居裏點”的的結論地球內部不能有一個永磁體。
　　按照物理學研究的結果，高溫,高壓中的物質，其原子的核外電子會被加速而嚮外逃逸，所以地核在6000K的高溫和360萬個大氣壓的環境中會有大量的電子逃逸出來，在內核與地幔間會形成一個汽液態的充滿自由電子的負電球層（液體外核）。
　　按照麥剋斯韋的電磁理論，可以總結出這樣一句話“電動生磁，磁動生電。所以，要形成地球磁場必須有電子移動。我們知道，一個綫圈通上直流電，那麽綫圈周圍有一個直流電磁場（通上交流點，就是一個交流電磁場），這個磁場就是電子在綫圈中移動的結果。
　　地球的磁場就象一個蠃綫管通直流電的直流電磁場。地球內部的高溫、高壓，使地球內核物質逸出電子而強金屬化，不易流動，呈固體狀態。地球內核逸出的大量電子集中在相對內核壓力小、溫度低的液體外核球層，外核球層由於得到大量自由電子而呈非金屬狀的汽液態。大量的自由電子隨地球自轉象電子在綫圈運動相仿，所以是液體外核自轉在宇宙空間建立了一個強大的磁場。
　　地球自轉，使液體外核呈現一個扁球體，地球傾斜自轉也可以認為天體引力傾斜。傾斜的力使液體外核赤道面亦傾斜。液體外核的赤道面，既受內核自轉控製，又受天體引力拖拽，使其自轉慣性改變方向，進而導致磁極既不與地球自轉軸重合又不與黃道面垂直，處於兩者兼顧狀態，事實也正是如此。
十萬個為什麽
　　地球磁場是由地球本身具有磁性，而在其周圍形成的磁場。它的兩極接近於地球兩極，但並不完全重合。兩者之間的偏差還隨着時間有所變化。指南針在靜止時沿地球南北方向取嚮，這表明地球是一個大磁體。地球磁體的N極（北極）位於其地理南極附近。地球磁體的S極（南極）位於地理北極附近。指南針正是藉助於地球是個大磁體和利用磁的相互作用規律而製成的。
英文解釋
  1. :  terrestrial magnetic field,  geomagnetic field
相關詞
磁場磁感應天體物理脈衝星模型太陽風邊界層地球物理學地學
地磁學物理百科
包含詞
地球磁場的地球磁場反轉