地球科学概论 第7讲 地磁场RR

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6.地磁场的成因
地磁极倒转问题讨论：
（1）为何会倒转？【推理？】
a)极性逐渐消失，另一个方向逐渐增长；将对 动物（人类）产生不可估量的影响； b)；
b) 磁极缓慢迁移，直至倒转
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6.地磁场的成因
地磁极倒转问题讨论：
（2）恐叠纪中晚期）,灭绝于6500万年前
n=1的项，占全部磁场的80-85%，代表了地磁场空间分布的 主要特征。它相当于一个在地心按一定方位放置、磁矩为M 的偶极子所产生的磁场，称该偶极子为“中心偶极子”。 n>1的项，称为非偶极子部分
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n
5.地磁场的特征
磁极倒转
磁极倒转的发现：
磁石磁性的测定发现许多岩石有与现今地磁场相反方向的 磁化。【思考题：岩石磁化的原因？】
由于地核基本上是由铁磁体（铁和镍）所组成的， 基本依据就是地核的这种特有成分及其球状对称的 形态。按照此假说，地核因其组成而自然成为一个 磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特征的磁场 。
地核内的平均温度很高，远远超过了任一种铁磁性 物体的居里点，所有的铁磁性体都将在这一温度下 转变成顺磁性体，从而丧失其磁性。
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地球周围存在着磁场，称地磁场 （Geomagnetic field）
1.引言
地磁场的形式
长期观测证实，地磁极围绕 地理极附近作缓慢的迁移， 例如 1961 年磁北极的位置为 北纬74.9°，西经101.0°； 到 1975 年 已 漂 移 到 北 纬 76.1°，西经100.00°。
磁场的表现形式为起止于地 球体的磁力线，磁力线的方 向表示磁场的方向，其密集 程度表示磁场强度大小。
变化磁场来源于地球外部（太阳），占地磁场的百分之几 到万分之几。
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6.地磁场的成因
所有的地磁成因理论都必须要
一、能解释前述的地磁场特征才能认为是成功的
二、与地面观测一致
地磁场起源的成因假说
铁磁体假说 热电假说 双圆盘发电机假说
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6.地磁场的成因
铁磁体假说（解释偶极性）
1.引言
地磁场研究历史
1870年，发明了磁探矿仪
1950 年，剩余磁化理论和古地磁学得到了极大 发展
磁 场 探 测 卫 星 ： POGO （ 1965 年 － ） ， MAGSET(1979 年 ) ， Oersted(1999 年 ) ， CHAMP(2000 年 ) ， SAC-C(2000 年 ) ， SWARM(2013)
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6.地磁场的成因
热电假说（解释长期变化）
热电假说提出地磁场具有电性。并通过计算得出， 要形成今天的地磁场，需要约109A的电流强度。而 要在地核中形成电流，必须借助于外核物质的热对 流而在边界处产生电流，并进而因此产生磁场，也 就是“热电效应”。
热电假说克服了居里点造成的困难，却产生了新的 问题，那就是这种机制难以形成具有偶极特征的磁 场，并且这种机制是否能产生足够强大的电流以形 成地磁场，也没有得到确切的证实。
第 7 讲
地磁场
申文斌 邓洪涛 罗佳 徐新禹
2014.5.16
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提纲
引言
地磁要素
地磁场的组成
地磁场的空间形态
地磁场的特征
地磁场成因
地磁场的测量
地磁场应用
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地磁场示意图
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1.引言
地磁场的形式
近似一个放在地心的磁棒所 产生的磁偶极子磁场。有两 个磁极，地磁场S极位于地理 北极附近，地磁场 N 极位于 地理南极附近，但均不重合 。两磁极的连线称为磁轴， 与地球自转轴的夹角约为 11.5°。以地磁极和地磁轴 作为参考系定出的南北极、 赤道及子午线称为磁南极、 磁北极、磁赤道和磁子午线 。
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1.引言
地磁场的形式
长期观测结果
（）
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1.引言
磁现象？ 地球是一个巨大的电介质体，在其自身内部和周 围空间产生磁场。
何以产生？【电流+自转】
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1.引言
极光现象【论证：强烈碰撞，受激辐射；氧：绿】
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1.引言
地磁场研究历史
古代中国（ BC约 300 年）：指南针 【四大发明 之一。四大发明：造纸（公元 105 ）；印刷（约 1000）；火药（约750）；指南针（403-201BC
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2.地磁要素
定义
磁场强度：地表某点的地磁场强度 是个矢量，用矢量 T 表示。矢量 T 在 座标系的 xoy 水平面上及沿各座标 轴的投影H、X、Y和Z分别称为水平 分量、北分量、东分量和垂直分量 。
矢量T在水平面的投影H与x轴的夹角 (即T的方位角)，称为偏磁角(D) 矢量T的倾角，称为磁倾角(I) 常用组合：(H,D,Z),(X,Y,Z),(T,D,I)
磁极倒转的过程：【思考题：磁极倒转过程是瞬时 完成的吗？】
磁极倒转的原因：【思考题：世界性难题】
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5.地磁场的特征
磁极倒转
通常把保持一定的地磁极性的大阶段(大约相隔100 万年以上)称为极性期，把每个极性期内的短期转向 时间称为极性事件。如果根据不同时期岩石磁化的 方向排列出地磁场转向的先后顺序，并利用岩石同 位素年龄测定方法测出各个极性期和极性事件的延 续时间，就可以建立古地磁场转向年代表。
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6.地磁场的成因
双圆盘发电机假说
单盘发电盘模型。
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6.地磁场的成因
Glatzmaiers(1995)黄线：向外，蓝线：向内。 a模拟结束之前9000年；b模拟结束前4000年，从 地球表面看上去的地磁极倒转中间过程；c倒转后
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7.地磁场的测量
地磁测量：应用地磁仪器观测某一测点独立的地磁 三要素 地磁台：在测点能连续记录地磁场随时间变化 野外测磁点：间断进行地磁要素测量。 卫星或者航空测量：CHAMP（ 2000）、 SAC-C（ 2000）、SWARM（2013年）
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5.地磁场的特征
主磁场主要来自于一个等效的中心偶极子磁场
来源于地球内部，基本上稳定，只随时间非常缓慢变化的 成分，是地磁场的主要部分，也称为地球的基本磁场。
R n V (r , , ) ( ) (anm cos m bnm sin m )Pnm (cos ) n 1 m 0 r
；汉朝202BC-220）。第五发明：算盘（101个
世界发明之一）】
沈括(1090年):指南针的指向并不是正
南方，而是和正南方有个向东偏的夹角。
1.引言
地磁场研究历史
Gilbert(1600年)：地磁起源理论 奥斯特（Oersted1820）：电流的磁效应 法拉第(Faraday1821-31): 磁力线变化可产生电 Gauss(1839年)：地磁场球谐分析方法 麦克斯韦 (Maxwell 1865) ：麦克斯韦方程组， 预言光是一种电磁波【建立了完整的电磁理论体系 】
垂直分量：35461.3nT;
水平分量34272.7nT。
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3.地磁场的组成
地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内 部的内源场和源于地球上空电流体系的外源场。 （徐文耀，地磁学）
内源场是地球空间磁场的主要部分，占地磁场 99% 以 上，这部分磁场很稳定，只有缓慢的长期变化，进一 步分为地核场和地壳场。 地核场又称为主磁场，占 95% 以上，目前认为主要由 地球内部熔化了的金属核流动引起。地壳场又称为局 部磁异常场，由地壳磁性岩石产生，约占4%。 内源场还应包括外部变化磁场在地球内部的感应场。
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4.地磁场的空间形态
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。
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4.地磁场的空间形态
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。
SWARM:三颗卫星， 2颗在460KM，1颗在 530KM
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7.地磁场的测量
磁力仪 磁变仪
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地磁经纬仪
8.地磁应用
导航 【信鸽】
保护层 【人类】
地磁勘探 【探矿】 地球内部物理 【研究内部参数】 短临地震预报 【压电效应】 古地磁学 【大陆漂移】
【思考题：衰减的原因？难题】
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5.地磁场的特征
（1）主磁场的长期变化
非偶极子磁场的西向漂移
E.Halley 在 17 世纪分析地磁偏角发现，地磁场分布图，有 缓慢向西移动现象。 n>1以上的部分每年向西漂移0.2度。 有的地方在向西漂移，有的地方没有漂移。 【思考题：非偶极子磁场的西向漂移是否具有全球特征？】
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5.地磁场的特征
（1）主磁场的长期变化
主地磁场的jerk
地磁场的长期变化的突然变化
图形上，地磁场的长期变化被jerk“分成几段”，而 在每一段内地磁场长期变化成线性变化趋势。
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5.地磁场的特征
（2）变化磁场（短期变化）
除稳定的基本磁场及其缓慢的长期变化，地磁场还存在各 种类型的短期变化，叫做变化磁场。
【参考系问题？】
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2.地磁要素
磁场强度单位：
1T（特斯拉：teslas）
=10000 G（高斯） =109 nT uT，mT
地磁场强度大约是0.5-0.6高斯
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2.地磁要素
武汉地磁各地磁要素如下：
地磁总强度：49316.5nT;
磁偏角：-3.73°; 磁倾角：45.98°; 北向分量：34200.2nT; 东向分量：2227.9nT;