地球磁场

地球磁场

地球磁场

地球磁场言是偶极型的，近似于把一个磁铁棒

放到地球中心，使它的北极大体上对着南极而

产生的磁场形状，但并不与地理上的南北极重

合，存在磁偏角。当然，地球中心并没有磁铁

棒，而是通过电流在导电液体核中流动的发电

机效应产生磁场的。

简介

自然地球磁场图片

地球磁场The Earth magnetic field不是孤立的，它

受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太

阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空

间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分

是电离氢和电离氦。

因为太阳风是一种等离子体，所以它也有磁场，

太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球

磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍

有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反

抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于

是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。[1]

地球磁层位于距大气层顶600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很

远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤

道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁

力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性

片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公

里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力

线向着地球，南面的磁力线离开地球。

地球磁场

1967年发现，在中性片两侧约10个地球半径

的范围里，充满了密度较大的等离子体，这一

区域称作等离子体片。当太阳活动剧烈时，等

离子片中的高能粒子增多，并且快速地沿磁力

线向地球极区沉降，于是便出现了千姿百态、

绚丽多彩的极光。由于太阳风以高速接近地球

磁场的边缘，便形成了一个无碰撞的地球弓形

激波的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为3～4个地球半径。

地球磁层是一个颇为复杂的问题，其中的物理机制有待于深入研究。磁层这一概念已从地球扩展到其他行星。甚至有人认为中子星和活动星系核也具有磁层特征。编辑本段形成原因

通常物质所带的正电和负电是相等数量的，但由于地球核心物质受到的压力较大，温度也较高，约6000°C，内部有大量的铁磁质元素，物质变成带电量不等的离子体，即原子中的电子克服原子核的引力，变成自由电子，加上由于地核中物质受着巨大的压力作用，自由电子趋于朝压力较低的地幔，使地核处于带正电状态，地幔附近处于带负电状态，情况就象是一个巨大的“原子”。

科学家相信，由于地核的体积极大，温度和压力又相对较高，使地层的导电率极高，使得电流就如同存在于没有电阻的线圈中，可以永不消失地在其中流动，这使地球形成了一个磁场强度较稳定的南北磁极。另外，电子的分布位置并不是固定不变的，并会因许多的因素影响下会发生变化，再加上太阳和月亮的引力作用，地核的自转与地壳和地幔并不同步，这会产生一强大的交变电磁场，地球磁场的南北磁极因而发生一种低速运动，造成地球的南北磁极翻转。

太阳和木星亦具有很强的磁场，其中木星的磁

场强度是地球磁场的20至40倍。太阳和木星

上的元素主要是氢和少量的氦、氧等这类较轻

的元素，与地球不同，其内部并没有大量的铁

磁质元素，那么，太阳和木星的磁场为何比

地球还强呢？木星内部的温度约为30000°C左

右，压力也比地球内部高的多，太阳内部的压

力、温度还要更高。这使太阳和木星内部产生更加广阔的电子壳层，再加上木星的自转速度较快，其自转一周的时间约10小时，故此其磁场强度自然也要比地球高的多。事实上，如果天体的内部温度够高，则天体的磁场强度与其内部是否含有铁、钴、镍等铁磁质元素无关。由于太阳、木星内部的压力、温度远高于地球，因此，太阳、木星上的磁场要比地球磁场强的多。而火星、水星的磁场比地球磁场弱，则说明火星、水星内部的压力、温度远低于地球。

关于地球磁场的形成原因，一种关于地球磁场成因的假说认为：地球磁场的形成原因和其它行星的磁场的形成原因是类似的，地球或其它行星由于某种原因而带上了电荷或者导致各个圈层间电荷分布不均匀。这些电荷由于随行星的自转而做圆周运动，由于运动的电荷就是电流，电流必然产生磁场。这个产生的磁场就是行星的磁场，地球的磁场也是类似的原因产生的。这个假说和各个行星磁场的有无和强弱现象符合的非常完美。

倒转原因

根据地磁场起源理论，地磁场磁极之所以发生

倒转，是由地核自转角速度发生变化而引起的。

地壳和地核的自转速度是不同步的，现阶段地

核的自转速度大于地壳的自转速度。然而，40

亿年前，情况却不是这样，那时地球表面呈熔

融状态，月球也刚刚被俘获，地球从里到外的自转速度是一致的，地球表面不存在磁场。

但是，随着地球向月球传输角动量，地球的自

转角速度越来越小。同时，地球也渐渐形成了

地壳、地幔和地核三层结构。地球自转角动量

的变化首先反映在地壳上，出现了地壳自转速

度小于地核自转速度的情形。这时，在地球表

面第一次可以感受到磁场的存在，地核以大于

地壳的自转速度形成了地磁场。按照左手定则，磁场的N极在地理南极附近，磁场的S极在地理北极附近。地壳与地核自转角速度不同步，这种情形并不能长久地保持下去，地核必然通过地幔软流层物质向地壳传输角动量，其结果是地核的自转角速度逐渐减小，地壳的自转角速度逐渐增大。当地壳与地核的自转角速度此增彼减而最终一致时，地磁场就会在地球表面消失。地核与地壳间的角动量传输并不会到此为止，在惯性的作用下，地壳的自转角速度还在继续增大，地核的自转角速度继续减小，于是出现了地壳自转角速度大于地核自转角速度的情形。这时，在地球表面就会感受到来自地核逆地球自转方向的旋转质量场效应。按照左手定则判断，新形成的地磁场的N极在地理北极附近，S极在地理南极附近。从较长的时期看，整个地球的自转速度处在减速状态，但地壳与地核间的相对速度却是呈周期性变化的，这就是每隔一段时间地球磁场就要发生一次倒转的原因。

据测定，地磁场发生倒转前有明显的预兆，地球的磁场强度减弱直至为零，随后，约需一万年的光景，磁场强度才缓缓恢复，但是，磁场方向却完全相反。地球磁场强度有逐渐减弱的趋势，在过去的4000年中，北美洲的磁场强度已减弱了50%，这说明地核相对地壳的速度差正在缩小。

值得说明的是，无论地球表面测得的地磁场方向如

何发生变化，但是，在太空中地磁场的方向却始终

是不变的。因为在太空中测得的地磁场，是整个地

球自转产生的旋转质量场效应，并不会因为地壳与

地核相对速度的改变而发生变化。根据左手定则，

在太空中测得的地磁场的N方向始终在地理南极上

空。

在电磁感应效应中，通电导体产生的磁场强度与电

流强度成正比，即与导体内“定向移动”的自由电子

数目成正比。而每个电子的自旋角动量又是恒定的，所以磁场强度实际上是与所有电子的自旋角动量之和成正比。同理，宏观物体产生的磁场强度，也应与旋转质量场的角动量成正比，即与物体的质量和自旋角速度成正比，与质量场的旋转半径（观测点到物体质心的距离）成反比。用公式表示为：

H = f mω/r = f 0 m / T r (f 0为常数，T为自转周期，r为旋转质量场半径）

根据这一公式，在地球表面测得的磁场强度H，只与地核的质量成正比，角速度ω的取值为地壳与地核自转角速度之差，r为地球的半径（地磁场强度为5×10-5特斯拉）。而地球在太空中形成的空间磁场，其磁场强度与整个地球的质量成正比，与地球的自转角速度成正比（近似值），与观测点到地球中心的距离成反比。因此，在近地球的宇宙空间，地球所形成的空间磁场强度大于地表的磁场强度。

空间磁场的最大特点是磁极恒定，不会像地球表面磁场那样发生磁极倒转现象。

起源

关于地球磁场的来源，早期历史上曾有来自北极星的传说，但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展，对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入，对地球磁场的来源先后提出了10多种学说。这里按照历史的先后对一些各有一定根据或设想的地球磁场来源学说作简单介绍：

⑴永磁体学说，是最早提出的一种学说，认为地球内部存在巨大的永磁体，由这永磁体产生地球磁场。这是一个永磁场的假说，地球起源于一块巨大的磁体.19世纪末，著名物理学家居里夫人发现磁石的物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失.正好可以证明地球在诞生之初只是一块超大的磁石，他吸引附近带铁、钴、镍元素的小行星.陨石和磁石，因为某种原因产生的高温使这块磁石的磁力消失而变成了电磁铁中间的磁芯..因为这块磁芯没有固定所以会发生磁极颠倒，牛顿发现的地球引力其实就是磁力当然这些还需要科学家的验证……按照“居里点”的的结论地球内部不能有一个永磁体，但是并不代表它最初不是一块永磁体

⑵内部电流学说，认为地球内部存在巨大的电流，形成巨大电磁体产生地球磁场，但是既未观测到这种巨大电流，而且巨大电流也会很快衰减，不会长期存在。⑶电荷旋转学说（公元1900年，简写作1900），认为地球表面和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷，由地球自转而形成闭合电流，由此电流产生磁场，但这学说缺乏理论和实验基础。

⑷压电效应学说（1929），认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一（10-3）。

⑸旋磁效应学说（1933），认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场，但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一（10-11）。

⑹温差电效应学说（1939），认为地球内部的放射性物质产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合。

⑺发电机学说（1946－1947），认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生地球磁场。

⑻旋转体效应学说（1947），是根据少数天体观测得到的经验规律，认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩，因而产生磁场。这一学说需要使用一无科学根据的常数，5年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了。

⑼磁力线扭结学说（1950），认为在地球磁场磁力线的张力特性和地核的较差自转，会使原始微弱的地球磁场放大，由此产生地球磁场。

⑽霍尔效应学说（1954），认为在地球内部由于温度不均匀产生的温差电流和原始微弱磁场的同时使用下，会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流，由此产生地球磁场。

⑾电磁感应学说（1956），认为由太阳的强烈磁活动通过带电粒子的太阳风到达地球后，会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流，由此产生地球磁场。在这些学说中，只有发电机学说（又称磁流体发电机学说）在观测、实验和理论研究上得到较多的证认，是研究和应用较多的地球磁场学说。

磁场变化

由于地壳板块运动错位移动，地磁场会缓慢发生变动。至于引发的其他自然变化需要进行跟踪检测，长期积累数据，进入2000年前后，地壳板块明显感觉真实检测数据更加详细，所以，地磁场的数据可以根据参照物的数据测定和推断。

地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，地球磁层是一个颇为复杂的问题，其中的物理机制有待于深入研究。

地球磁极

地球表面上地磁场方向与地面垂直、磁场强度最大的地方，称为地磁极。地磁极有两个（磁北极和磁南极），其位置与地理两极接近，但不重合。现代地球的磁极其地理坐标分别是：北纬76°1′，西经100°和南纬65°8′，东经139°。

简介

在最近几百万年的时间里，地球的磁极已经发生过多次颠倒：从69万年前至今，地球的方向一直保持着相同的方向，为正向期；从235万年前至69万年前，地球磁场的方向与现在相反，为反向期；从332万年前到235万年前，地球磁场为正向期；从450万年前至332万年前，地球磁场为反向期。

磁极

把地球当成一个大磁铁，那么磁极就是指磁铁两端的那两个点，也就是磁场线密度最大的那个点。地球本身就像一块巨大的磁石，这块磁石有两个极，磁针向南指的位置为南磁极，向北指的位置为北磁极。但实际上地球的磁场方向并不是指向正南北的。地球的磁场并非亘古不变，它的南北磁极曾经对换过位置，即地

磁的北极变化成地磁的南极，而地磁的南极变

成了地磁的北极，这就是所谓的“磁极倒转”。

在地球45亿年的生命史中，地磁的方向已经

在南北方向上反复反转了好几百次。仅在近

450万年里，就可以分出四个磁场极性不同的

时期。有两次和现在基本一样的“正向期”，

有两次和现在正好相反的“反向期”。而且，在每一个磁性时期里，有时还会发生短暂的磁极倒转现象。

磁极互换之谜

出现现象

人们都知道，地球是个大磁场，然而地球的磁极却非亘古不变的，自地球诞生以来，它的南北磁极曾经发生过几次转变，科学家们把这种现象称为“磁极倒转”。倘若有人告诉你，在地球的某些角落，古老的岩层保持着与现代磁场相反的极性，使指南针到那里会发生紊乱现象，你一定会感到闻所未闻。

1906年，在对法国司巴夫中央山脉地区的熔岩

进行考察时，法国科学家布容意外地发现，那

里的岩石具有与现代磁场方向相反的磁性。随

后，其他科学家也相继发现了许多这样的事实。

于是，人们终于相信：地球磁场不是永恒不变

的，整个地磁场曾经发生过颠倒，南磁极

与北磁极曾经对换过位置。科学家们把这种现象称为“磁极倒转”。

通过深入研究，科学家们还发现：磁极倒转现象曾经多次发生，仅在近450万年里，就可以分出四个极性不同的时期。更详细的研究则证明，纵然在同一个时期里，地磁场方向也并非一成不变，而是发生过一些历时较短的极性变化。

在不断地探索中，科学家们又惊异地发现，地球磁场的这种极性变化，同样存在于更古老的年代里。从大约6亿年前的前寒武纪末期，到约5.4亿年前的中寒武世，是反向磁性为主的时期；从中寒武世到约3.8亿年前的中泥盆世，是正向磁性为主的时期；中泥盆世到约0.7亿年前的白垩纪末，还是以正向极性为主；白垩纪末至今，则是以反向极性为主。

原因

1967年，科学家斯蒂纳提出，地磁场极性的变化，与地球追随太阳作环绕银河

系中心的运动有关。他指出，银河系中心也存在着一个磁场，它集中在银道面上，并在银道面上下呈相反的方向。当太阳在环绕银河系中心运行时，会在银道面上下作波状起伏运动。如此不断往复，在太阳绕银河系中心运行一周的2.74亿年中，大约要上下往复三次多。平均往复一次的时间为0.77亿年。

人们在对450万年前的数据进行分析时发现，地磁场极性变化中，恰有一个时间尺度约为0.8亿年的周期。这或许并非偶然。但是，斯蒂纳的观点却无法解释那些周期较0.8亿年短得多的极性变化，因而一时不能使人信服。

到1979年，针对恐龙灭绝原因的种种猜测，有位科学家一鸣惊人地提出：恐龙灭绝是小行星坠落的结果。这种新观点立即得到许多科学家的支持。使得一些古地磁研究者确信：与生物灭绝同步的地磁倒转可能与巨大陨石的坠落有关。从已经鉴定的一百多个陨石坑，科学家们得出这样一个结论：在地球的存在史上确

实有直径比1公里大得多的天体坠落过。巨大的撞击穿过地壳，深入地幔，从而使地幔对流和外地核物质的流动方向发生根本改变，引起地磁极倒转。遗憾的是，

还没有证据表明，在已发现的一百多个陨石坑

的形成期．都有地磁极倒转同步发生。

1989年，在美国巴尔的摩举行的全球气候变化

和环境污染国际研讨会上，美国科学家缪拉发

表了气候变化导致地磁极倒转的见解，却未能

获得大多数研究者的赞同。人们无法否认，地

磁极倒转与古气候变化之间有某种程度的联系。但是，在距今三四百万年前，正是地球气候比较温暖、比较稳定的时期，地磁极性为什么却也多次发生变化呢？

科学家们莫衷一是，于是，有人提出地磁倒转是地球本身变化的结果。同样缺乏必需的证据。

历史沿述

虽然人类已经进入21世纪，科学改变了人们的生活，但科学却还没有征服自然，更多的时候它只是在记录那些不可思议的事情是如何发生的。例如，未知的地下低频辐射。科学家发现来自地下的低频辐射与一些神秘的事故存在密切关系。尚不清楚产生这种辐射的确切原因，但科学家估计可能是地壳运动的结果。当地壳剧烈运动时，电磁粒子就会从地下逃逸出来。检测显示，当这种辐射爆发时，交通事故和求医看病的人会明显增多。科学家还观察到地球磁场出现了空洞，由此推断地球磁极可能在不久的将来改变方位。事实上，现在北磁极就在向西伯利亚方向移动，南磁极则移向澳大利亚海岸。科学家推断磁极1.5万年才会移位一次，每次都造成大批动物死亡，恐龙、猛犸象很可能就因此灭亡，大西洋一些神秘沉没的海岛也可能与磁极易位有关。地球上还有不少黑暗地带，在这些区域里

事故频发，人体器官也会严重受损。科学家认

为这也是辐射在“搞鬼”。在地质断裂带及不

同层面的地下水流交汇地区，磁场会出现异常

变化，这种变化甚至对大气电流都有影响。研

究显示，只有5%的人对地下辐射具有抗干扰能

力。大多数人认为，指北针当然指向北方。

数千年以来，水手依靠地球磁场来导航；而鸟类和其他对磁场敏感的动物已经应用这个方法有更长一段时间了。说来奇怪，地球的磁极并不是一直都指向现在的方向。

矿物可以记录过去地球磁场的方向，人们利用这一点，发现在地球45亿年的生命史中，地磁的方向已经在南北方向上反复反转了好几百次。不过，在最近的78万年内都没有发生过反转———这比地磁反转的平均间隔时间25万年要长了许多。更有甚者，地球的主要地磁场自从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了20倍！下一次地磁反转即将来临吗，虽然各种解释都有经过验证的科学理论作为依据，但也有一些科学家对此提出了他们的疑问。希望在不久的将来，科学家能够为我们解开谜团。

注：地磁场

定义：在地球周围的空间里存在的的磁场。

磁极：地磁场的北极在地理南极附近，地磁场的南极在地理北极附近。二者不完全重合，存在磁偏角。（宋沈括发现）

磁偏角：地理的两极与地磁的两极之间的夹角叫磁偏角。

拓展：鸟类、鱼类常利用地磁场进行导航。