【第七节】地球磁场简述
什么是地球的地磁场
什么是地球的地磁场？它是如何形成的？
地球的地磁场是地球周围产生的磁场，其主要是由地球内部的流动熔融金属外核（主要是铁和镍）所产生的。
这个磁场在地球的周围形成一个巨大的磁气球，保护地球不受太阳风和宇宙射线的伤害。
地球的地磁场形成主要有两种理论解释：
地球内部自发磁场理论：这个理论认为地球内部的外核是由液态铁和镍组成的，由于地球自转产生的科里奥利力使得外核发生对流运动。
这种运动会产生电流，而运动的电荷带有电荷，形成了地球的磁场。
地幔电流理论：另一个理论认为，地球的地磁场是由地幔中的岩石通过地球的自转运动所产生的电流所形成的。
这些岩石中含有导电性矿物，当它们受到地球自转的影响时，会形成电流，从而产生磁场。
无论是哪种理论，地球的地磁场都是由地球内部物质的运动所产生的，其形成和维持是一个复杂的物理过程。
地球的地磁场不仅对地球本身的大气和生物有重要的保护作用，也对导航、航海、航空等人类活动起着重要的辅助作用。
地磁磁场的基本特征及应用
地磁磁场的基本特征及应用地球磁场：地球周围存在的磁场，包括磁层顶以下的固体地球内部和外部所有场源产生的磁场。
地球磁场不是孤立的，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。
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。
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。
地磁学：是研究地磁场的时间变化、空间分布、起源及其规律的学科。
固体地球物理学的一个分支。
时间范围：已可追溯到太古代（约35亿年前）——现代空间范围：从地核至磁层边界（磁层顶），磁层离地心最近的距离： 8～ 13个地球半径组成和变化规律及应用：磁偶极子：带等量异号磁量的两个磁荷，如果观测点距离远大于它们之间的距离，那么这两个磁荷组成的系统称为磁偶极子。
地磁场的构成地球磁场近似于一个置于地心的同轴偶极子的磁场。
这是地球磁场的基本特征。
这个偶极子的磁轴和地轴斜交一个角度，。
如图1.1所示，N、S分别表示地磁北极和地磁南极。
按磁性来说，地磁两极和磁针两极正好相反。
同时，磁极的位置并不是固定的，每年会移动数英里，两个磁极的移动彼此之间是独立的，关于地磁极的概念有两种不同的思路和结果：理论的和实测的。
理论的地磁极是从地球基本磁场中的偶极子磁场出发的。
实测的地磁极是从全球地磁图（等偏角地磁图和等倾角地磁图）上找出的磁倾角为90°的两个小区域，这两个地点不在地球同一直径的两端，大约偏离2500千米。
地球物理学中的地球磁场研究
地球物理学中的地球磁场研究地球是一个充满神秘的行星，它的表面和内部都隐藏着各种未知的奥秘。
地球磁场便是其中之一。
地球磁场是指地球周围一围环绕球体的磁场区域，它可以直接或间接影响地球上的生命和周围的环境。
在地球物理学中，地球磁场的研究一直是一个重要的课题。
地球磁场的起源地球磁场的产生是因为地球所拥有的液态地核以及电流的环绕作用。
地球磁场重心位于地球中心以偏西23.5度的位置。
地球磁极位于地球表面，即地球磁场线与地球表面相交的点。
地球北极和南极是地球磁场线的两个极点，它们并不与地球的地理北极和南极位置对齐。
地球磁场的强度在地球不同的位置也有所不同。
地球磁场的作用地球磁场对地球上的生命和环境都产生着广泛的影响。
例如，地球磁场可以抵御太阳风暴的影响，维持地球上的气候和生态平衡。
此外，地球磁场还可以调节物种的迁徙方向，因为在地球磁场中，有一些生物会寻找或感应到磁场的极性，从而调整方向。
地球磁场还可以帮助我们在海上或航空中定位和导航。
地球磁场的不稳定尽管地球磁场对地球上的生命和环境都产生着重要的作用，但它的稳定性却受到了一定的威胁。
地球磁场并非永久不变，也会受到外部环境的影响而发生变化。
地球反转是地球磁场不稳定的一种表现。
地球反转是指地球磁场极性逆转，即磁南极变为磁北极，磁北极变为磁南极，这一过程需要数千年甚至更长的时间，金口紫山中也有记录相关情况的文章。
地球磁场的研究方法地球磁场的研究方法多种多样。
其中最常见的方法是用磁力计。
磁力计可以测量地球磁场的大小和方向。
地球磁场也可以通过观测地球表面上的地磁异常来判别地形和地下物质的性质。
此外，科学家们还可以借助卫星观测技术来研究地球磁场。
例如，欧空局的“Swarm”卫星计划就是以三颗卫星形成的阵列观测地球磁场和地表的变化。
结语地球磁场是地球物理学中一个重要的课题，科学家们一直在不断深入研究这个现象。
通过对地球磁场的研究不仅可以帮助我们更好地理解地球内部和地球表面的运作机制，还可以更好地维护地球上的生态和环境平衡。
地球磁场的基础知识的介绍
地球磁场的基础知识的介绍
地球磁场的基础知识。
地球磁场是指地球周围产生的磁场，它起源于地球内部的磁场。
地球磁场的产生主要是由地球内部的液态外核运动所产生的地球自
身磁场。
这个磁场能够将地球周围的太阳风和宇宙射线偏转至地球
的磁层外，并保护地球表面生物免受宇宙射线的侵害。
地球磁场的磁北极和磁南极并不与地球的地理北极和地理南极
完全一致。
磁北极位于地理南极附近，而磁南极则位于地理北极附近。
这是因为地球内部的液态外核运动不是完全对称的，所以地球
磁场并不是完全对称的。
地球磁场的磁力线呈现出从地球磁北极到地球磁南极的环绕状
分布。
这些磁力线的分布对于地球上的生物和环境具有重要的影响。
例如，地球磁场对于许多动物的迁徙和导航有着重要的作用，同时
也会影响人造卫星的轨道和通信系统的稳定性。
地球磁场并不是静止不变的，它会随着地球内部的运动而产生
变化。
这种变化可能是周期性的，也可能是不规则的。
科学家们通
过观测和研究地球磁场的变化，可以更好地了解地球内部的构造和运动规律，同时也可以预测地球磁场的未来变化趋势。
总的来说，地球磁场是地球独特的物理特征之一，它不仅对地球上的生物和环境产生重要影响，同时也是地球内部运动规律的重要指示器。
对地球磁场的研究和了解有助于我们更好地保护地球和利用地球资源。
地球的磁场知识点总结
地球的磁场知识点总结地球的磁场主要由地磁场和地球磁层组成。
地磁场是由地球内部的流动物质产生的，它的存在使得地球周围形成了一个保护层，可以挡住来自宇宙空间的宇宙射线和太阳风，维护了地球生物的生存环境。
地球磁层是由地磁场作用于地球外部高层大气中的电离层产生的，它可以使地球周围形成一个环绕地球的磁层。
地球的磁场对于地球科学领域有着较为重要的作用。
首先，地球的磁场是地球的一个重要特征。
通过地球磁场的变化，可以研究地球内部的流动情况，进一步地可以了解地球内部结构和活动。
其次，地球的磁场对于地球的生命环境有着较为重要的影响。
地球的磁场可以挡住来自太阳和外太空的有害射线，维护了地球生物的生存环境。
再次，地球的磁场也对于地球的导航和定位有着重要的意义。
地球的磁场可以为地球上的罗盘提供一个稳定的参照系，能够在一定程度上引导人类进行导航和定位。
除此之外，地球的磁场还对于地球外部磁层的形成和演化有着重要的影响。
地球磁层的形成与地磁场有着直接的关系，地磁场的变化能够影响到地球磁层的形成和演化过程。
因此，地球磁场的研究对于了解地球外部磁层的演化与形成过程具有着非常重要的意义。
地球的磁场是如何产生的呢？地球的磁场主要是由地球内部流动的熔融金属铁所产生的。
可以简单地认为，地球内部有一个大型的类似磁铁的物质，它的存在使得地球在空间中产生了一个类似磁铁的磁场。
地球内部的流动熔融金属铁是产生地球磁场的主要动力，通过地幔富含的铁、镍和其他金属元素会形成一个大型的磁场。
地球的磁场是如何变化的呢？地球的磁场是不断在变化的，它会随着地球内部的流动和变化而发生变化。
地球磁场的变化有周期性，约10000-100000年左右发生一次磁极颠倒的现象。
而且，地球的磁场变化也会受到太阳活动的影响，太阳活动的增加或减少都会对地球磁场产生一定影响。
地球的磁场是如何被研究的呢？地球的磁场研究主要通过地球磁场观测站和磁场卫星观测来进行。
地球磁场观测站能够对地球磁场进行实时观测和监测，能够精确地了解地球磁场的变化情况。
第7讲-地球科学概论-地磁
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3.地磁场的组成
变化磁场
变化磁场主要源于外源场，是来自地球外部的叠加在磁场 上的各种变化磁场，占地磁场份额＜1%
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3.地磁场的组成
!
地球表面地磁总强度等值线图(1995年)。等值线单位：nT。
图中左上角和右下角的两个极大值区域代表南北半球地磁极所在区域。南 美洲东海岸及其附近海域的极小值区域，通常称作南大西洋磁异常；东西 伯利亚的极大值区域曾经被认为是另一个磁极，实际上是大陆磁异常。 18
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
地磁场基本状态
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 年磁南极的位置为北纬74.9°， 西经101.0°；到1975年已漂移 到北纬76.1°，西经100.00°。
5.地磁场的特征
（1）主磁场的长期变化
偶极子磁矩的衰减
近10几年来地磁偶极矩在单调衰减，衰减速率每年0.05%； 衰 减速度在变化，公元2000年前（即17年前）不是衰减，而是增加 。如果一直维持目前衰减速率，再过2千年之后，地球磁矩将变 为零。【从曲线趋势看，再过3年左右，磁场又会增加】 【衰减的原因？世界难题】【是否与十年尺度日长变化关联？】
2.地磁要素
地磁场：地磁在三维空间中的分布 地磁要素[geomagnetic element]：表示地球磁场方向 和大小的物理量，包括三个独立分量：磁场大小(|T|) 、磁偏角(D)、磁倾角(I) 通常有7个可供选择的分量（可选不同组合）【见后】 地磁测量就是用地磁仪器观测某一测点独立的地磁三 要素 【见后】
地球磁场及常用坐标解读
偶极坐标系（Dipole coordinates）
它是以地心为原点的球面极坐标系，以过地球中心的偶极轴为极轴，与地球自旋轴的夹角 为 11.2。有时把偶极坐标系也称为地磁坐标系。该坐标系涉及到的一些概念定义如下： 偶极赤道：与中心偶极子垂直的大圆； 偶极子午面：通过偶极子两极的大圆； 偶极经度h：过地球表面一点的偶极子午面与过地理极的偶极子午面之间的夹角； 偶极纬度m：该点与地心连线与偶极赤道的夹角； 偶极地方时：地面一点的偶极经度与当时日下点的偶极经度，单位为小时； 偶极正午：与日下点偶极经度相同，该点此刻为偶极正午； 偶极子夜：与日下点的偶极经度相差 180。 由于这一坐标系是以地磁场为基础的坐标系，所以地磁坐标常专指偶极坐标系，偶极经 度、偶极纬度、偶极赤道、偶极时又称地磁经度、地磁纬度、地磁赤道和磁地方时。
地磁场方向角的单位是度分秒；国际通用的磁通量密度单位是 nT，更经常用 表示，有时也用高斯作单位。单位间的关系是： 1T(tesla) = 10 nT = 10 gauss， 1nT = 1 = 10 gauss。
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地表上地磁场大小，在磁赤道约为 310 nT 的量级;在磁极处，
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磁层电流系示意图
环电流 环电流是在地心距 3～7RE 的空间区域绕地球的由东朝西方向 流动的电流， 由地磁场捕获的低能质子维持。 环电流平静时位于 2.5～ 4RE 之间，磁暴时离地球稍远。磁平静时环电流总强度为 10 A 量级， 发生磁暴和亚暴时可增强几倍。 部分环电流 部分环电流是亚暴期间从等离子体片注入到辐射带的 粒子漂移所形成。它产生了地面磁场变化的不对称性。 场向电流 场向电流是在极光椭圆区沿磁力线流动的电流片。 场向电 流总体分为两区， 极侧称为 I 区电流， 基本流向是在晨侧流入电离层， 昏侧流出电离层；靠赤道一侧称 II 区电流，其流向与 I 区相反。场 向电流密度有明显的日变化。大部分时间内，I 区场向电流比 II 区 大。电流分布和强度变化与磁活动水平密切关联。
地球磁场简介
地球磁场简介地球磁场，是指地球固有的磁场环绕整个地球的大气层。
它是地球自身外部大气层中的一部分，具有巨大的影响力和重要的地质学意义。
本文将简要介绍地球磁场的形成原理、结构特征以及其对地球生命和导航系统的重要性。
一、地球磁场的形成原理地球磁场的形成主要与地球内部的物理过程密切相关。
目前认为，地球磁场的主要形成原理可以归结为“地球发电机效应”。
具体而言，地球内部的液态外核和固态内核之间发生的对流和自转运动，以及地球自转产生的科里奥利力，共同作用下使得地球磁场得以维持。
液态外核通过电流环流产生磁场，形成地球的主磁场，而固态内核由于其高导电性质，可产生额外的磁场增长。
二、地球磁场的结构特征地球磁场的结构呈现出复杂而多样的特征。
一般来说，地球磁场可以分为地心磁场和地壳磁场。
地心磁场主要来源于地球内部液态外核产生的磁场，具有全球性和稳定性。
而地壳磁场则是地壳中磁性物质产生的磁场，其强度和方向有较大的变化。
地壳磁场的变动往往受到地壳构造和岩石磁性特征的影响，存在较强的地域性。
三、地球磁场的重要性地球磁场对地球和人类具有重要的意义。
1. 生命起源保护：地球磁场能够很好地抵挡来自太阳的带电粒子流，形成一个磁屏障，使地球上的生命得以保护。
这种保护作用对维持地球生物多样性和镀金健康都至关重要。
2. 导航系统依赖：地球磁场为导航系统的运作提供了基础。
现代航海、航空以及卫星导航系统都依赖地球磁场的信息来确定位置和导航方向。
因此，地球磁场对于人类航行和探索具有不可替代的作用。
3. 环境变化研究：地球磁场中的变化可以反映出地球内部和外部环境变化的信息。
地球磁场可以用来研究地震、火山活动、板块运动等地球动力学过程，以及太阳活动、宇宙射线等与地球相互作用的过程。
4. 地质学探索：地球磁场的测量和研究对于地质学家来说是一种重要的工具和手段。
地球磁场可以用来探测地下矿产资源、构造演化历史、地壳变形等地质学问题，对于研究地球深部结构和地球演化过程具有重要的科学价值。
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太 阳和木星亦具有很强，其中木星的磁 场强度是地球磁场的20至40倍。
地磁逆转
• 地磁逆转是指地球磁场方 向的变化，也就是北磁极 和南磁极的对调。地磁逆 转的发生常常伴随着磁场 强度的减弱，当新的方向 确定后，磁场强度又会迅 速增加。逆转发生在显然 是随机的时间间隔从不到 0.1万年前多年多达50万不 等。最近一次，被称为布 容尼斯-松山翻转 （Brunhes–Matuyama reversal ），发生在大约78 万年前
• 地磁探矿
小范围内地磁感应强度和磁倾角几乎没有什么变 化。但是，有时地磁场的变化非常明显，有的地 方会出现磁针反常现象，磁针不再指向南北方向。 在某些山区，磁针甚至变成直立状态。这种电磁 场的剧变称作地磁异常。显然，出现地磁异常的 区域，地下一定蕴藏着丰富的磁铁矿。我们可以 根据地磁异常现象来探测磁铁矿区。
发现过程
• 早在二十世纪初，法国科学家布律内就发现，70万 年前地磁场曾发生过倒转。1928年，日本科学家松 山基范也得出了同样的研究结果。第二次世界大战 后，随着古地磁研究的迅速发展，人们获得了越来 越多的地磁场倒转证据。如岩浆在冷却凝固成岩石 时，会受到地磁场的磁化而保留着像磁铁一样的磁 性，其磁场方向和成岩时的地磁场方向一致。科学 家在研究中发现，有些岩石的磁场方向与现代地磁 场方向相同，而有些岩石的磁场方向与现代地磁场 方向正好相反。科学工作者通过陆上岩石和海底沉 积物的磁力测定，及洋底磁异常条带的分析终于发 现，在过去的7600万年间，地球曾发生过171次磁 极倒转
对于地球磁场的介绍就到这里，当我们总 在探究宇宙的大尺度问题，以及微粒的细 微尺度问题的时候，我们不能忘记，我们 赖以生存的地球还尚有许多未解之谜等待 着我们。其实在介绍了地球磁场的一些知 识的同时，其实也是抛砖引玉，让大家能 够在未来的生活与研究中，留心观察，不 要忘记身边的细节，将近在咫尺的东西的 作用发挥出来。
天体物理学
EP09 地球磁场简述
地球磁场
地球磁场，想必大家 已经非常熟悉了，地 球的磁场有点像把一 个大磁铁棒摆在地球 中间而形成的。这种 看不见摸不着的物质 在不知不觉中影响着 我们，而它的神秘的 起源，难以捉摸的变 化规律以及众多的应 用也一直吸引着无数 人去研究它。今天， 我们就来从我们自己 的角度，在数学知识 和物理知识尚存缺陷 的时候，尽量运用我 们的想象力，来一场 大脑风暴吧。
• 地磁预报
地壳中的岩石，有许多是具有磁性的。地震 发生时，这些岩石受力变形，它的磁性也随之变 化。在强烈地震前夕，地磁感应强度、磁倾角等 都会发生变化，造成局部地磁异常，这就是所谓 的“震磁效应”。掌握了震磁效应的规律，利用 测量仪器监测地磁变化，就可以根据震磁效应对 地震做出较准确的预报。
• 对于人类和所有生物来说，地磁变换是灾 难性的。地磁消失后，宇宙中的各种射线 都会直达地表，地球上生活的生物将失去 “保护伞”，受到强烈辐射的伤害。还有 科学家认为，地磁场改变导致染色体畸变， 会使动植物发生变异生长，还会使一些被 压制的地壳运动提前。因此，地球磁极的 变换是人类面临的最大的威胁。
地球也渐渐形成了地壳、地幔和地 核三层结构.这种情形并不能长久 地保持下去,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
• 3 用电磁耦合理论很容易解释这个现象。 由于地幔层的电场是由地幔层与和它相邻 地壳层、地核相互摩擦产生的。当地幔层、 地壳层和地核的成分发生变化时，它们相 互摩擦产生的电荷的电性也会改变。当地 幔层的电场方向改变时，电磁耦合产生的 地磁场的方向也随之改变，地磁场的磁极 也就改变了。
地磁场逆转原因
地磁场逆转原因现在还没有得出一个统一的 结论，一下是关于偏转原因的几种解释：
1 地心周围的液体物质，总是处在不稳定状 态，以非常缓慢的速度转动，一般大约每年 移动一度。然而在受到某种干扰时，这个速 度会变得越来越快，使原有的磁场偏离极地 越来 越远，最后发生南北极互换的现象。
Hale Waihona Puke 另一理论而除了上一张幻灯片提到的说法，还有很多其 他的说法： (1)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，是由这个永磁体 产生地球磁场。 (2)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。 (3)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。
• 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，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，
7.如果人体长期顺着地磁的南北方向可使人体器官细 胞有序化,产生生物磁化效应,使生物电得到加强,器官
机能得到调整和增进,从而起到了良好的作用
• 地磁发电
1992年7月，美国“亚特兰蒂斯号”航天飞机 进行了一次卫星悬绳发电实验。从航天飞机上向 地心方向发射一颗卫星，携带一根金属悬绳，使 这根悬绳与地磁场垂直，做切割磁感线运动。通 过电离层(由等离子体组成)的作用，悬绳上可产生 感应电流。
地磁场翻转期与平时的对比
地球磁场的影响与应用
地球磁场的作用
1.有效地阻止了太阳风长驱直入，形成磁层，产生极 光
2.行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向 3.根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏 4.影响无线电波的传播 远距离通讯
5.从太阳发出的强大的带电粒子流（太阳风），会受 到地磁场的作用发生偏转而偏离地球 6.维持地球的大气成份
小小的准备工作
工欲善其事，必先利其器。要探讨一些物理 现象，首先还是要有一些必备的定义以及数学关 系的。下面给出几个定义。
1、单位时间内通过任意曲面的电荷叫做该曲面 的电流，通常用I表示。
2、很明显，电流是一个标量，要研究在任意的 载体中（而不是仅在导线内的情况）的时候， 有必要引入一个矢量。我们有如下定义：该矢 量的方向，为空间中这一点的正电荷运动方向， 它的大小定义为过该点并与这一矢量垂直的单 位面积上的电流，我们把这个矢量叫做电流密 度。一般用J表示。
3、既然要讨论地磁场的形成机制，自然也就要 引入电和磁的关系。我们给出如下一个公式：
猜想
现在我们有了一些工具了， 除了刚才介绍的，还有你自 己的知识，还有你的想象力。 地球的磁场是可以通过实验 测量的，我们就以旁边这个 图为标准，来猜想一下地球 磁场是什么物质以什么机制 产生的。
关于地球磁场的形成有非常多种说法，下面这种 说法比较流行：
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 子核的引引力，变成自由电子，加上由于地地核 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，使地核内核处于带正电状态，外 核处于带负电状态。这些电荷随着地核的自转运 动，进而形成一种类电流环路，从而产生了磁场。