第二章 地磁场
第二章地球磁场
第二章地球磁场（Lisa Tauxe著，常燎译）建议补充读物Butler (1992)，3－7页，10－11页。
更多信息可参看：Merrill et al. (1996) 第一、二章。
2.1 地球磁场古地磁学主要研究过去的地球磁场行为。
人类的直接测量仅仅能够追溯到几个世纪前，因此，古地磁学仍然是研究过去地球磁场行为的唯一手段。
由于古地磁学涉及地球磁场，因此有必要了解一些有关地球磁场的知识。
这一讲我们主要回顾现今地球磁场的一些基本性质。
地磁场由地球液态外核的对流引起（外核由铁、镍和一些未知的较轻成分构成）。
产生对流的能量的来源目前还不清楚，但是一般认为一部分来源于是地球的冷却过程，另外一部分则来源于由铁/镍构成的液态外核的浮力，这一浮力则由纯铁内核的冷却引起。
这个导电流体的运动受控于液态外核的浮力、地球自传以及导电流体和磁场的相互作用（这是一个异常复杂的非线性过程）。
确定导电流体的运动方式以及其产生的磁场状态是一个极具挑战性的课题，但是我们已经知道这种导电流体的运动是一种自激发电机过程，它可以产生并维持巨大的磁场。
2.1.1 地球参考场在很多情况下，确定地球磁场在一特定时间的空间分布非常有用。
对地球磁场及其变化率的数学近似可以比较准确地估计地球磁场在给定时间和地点的值（最少在几百年以内）。
由第一章可知，地表的磁场大致是个标量的势场，并服从拉普拉斯方程：这个方程可以改写为：这个方程的一个解是：对地球磁场，一般可以写作半径为r，纬度余弦θ，经度ϕ的标量势：其中，g 和h 是高斯系数，可以从特定的年代计算得出，单位为nT ，或磁通量（注意，公式中μ0由tesla [B ]转换到Am -1 [H ]）。
角标e 和i 代表外场或者内场的起源，a 是地球半径（6.371 х 106 m ），μ0是自由空间的磁导率（参看第一讲中的表1.1），ml P 正比于勒让德多项式，其由传统的施密特多项式归一化而来（可参看建议的读物）。
什么是地磁场
什么是地磁场地磁场是地球上自古以来便存在的磁力场，该磁力场由地球核心所构成，具有漫反射和衰减等能量传播方式，从而影响地球上物理生物等各种活动。
下面，我们就仔细地来研究地磁场究竟是什么以及它对地球上生物产生的重要作用。
一、什么是地磁场地磁场是由地球核心的磁力组成的，包括静息磁力场和变动磁力场，是由地球核心的重离子构成的。
它类似于由大量磁铁构成的磁场，可向它的外部地面传导电磁波。
根据物理定律，它不仅能在地面上形成一定的静态磁场，而且还会随着时间而变化。
地磁场通常用单位 Tesla 来表示，它将地磁场划定成六个方向：正北、正南、正东、正西、正上和正下等。
二、地磁场的属性1、衰减性：这是指磁波穿越空气随着距离的增加而衰减的现象，导致物体与物体之间的交互性下降。
2、强度：地球的磁场强度为0.5-0.7 G，比太阳磁场强度要弱。
3、持续性：地球的磁场是延续性的，它不会突然变化或断开，而是受到多种影响而变化。
4、漫反射性：地球磁场会向外传播，可以涉及陆地、海洋和蒸发面三者之间的依存关系。
三、地磁场对地球上生物产生的影响1、电磁场穿透：地球磁场可以穿透动物体内的大多数电磁物质，使其在新环境中能够灵敏应答磁场的变化，这对动物的生长发育、栖息地的选择和行迁等活动有很大的帮助。
2、陆地形貌变化：地磁场能够调节陆地空间结构的演化，对地质构造的变化有很强的控制作用。
3、生物导航：地磁场可以帮助多种物种判断方向和位置，既可以实现短期的瞬时导航，也可以实现长期迁移。
四、低磁场环境下的生物影响1、植物体质变化：地球磁场可以改变植物体内的酶、传递物质及物理活动的相互作用，促进植物的生长发育和光合作用。
2、生物社会行为变化：低磁场环境会对社会昆虫造成多种歧义，影响它们求爱，照料幼虫，社会组织以及社会交往等行为。
3、免疫力下降：低磁场环境会降低生物体免疫力，使其更容易受到各种传染病的影响。
总之，地磁场是一种由地球核心组成的天然磁力场，具有衰减性、强度、持续性和漫反射性等特性，在地球上生物的影响也很明显。
《地磁场》课件
卫星磁测
通过卫星轨道测量地磁场 ，具有覆盖范围广、观测 精度高的特点。
地磁场的观测设备
磁力仪
用于测量地磁场强度和方 向的仪器，分为旋转磁力 仪和质子磁力仪等类型。
磁通门磁力仪
利用磁通门技术测量地磁 场，具有高灵敏度和低噪 声的特点。
卫星磁力仪
装载在卫星上进行地磁场 测量的仪器，具有高精度 和全球覆盖的特点。
地磁场变化对人类健康的影响
生理影响
地磁场的变化可能影响人体的生 物电和生物磁，进而影响神经系
统和生理功能。
心理影响
地磁场的变化可能影响情绪和心 理状态，例如在磁暴期间人们更
容易感到焦虑和不安。
疾病风险
长期暴露于不稳定的地磁场环境 中可能增加某些疾病的风险，如
癌症和神经系统疾病。
地磁场变化与地震、火山活动的关系
地磁场的组成
总结词
地磁场由主磁场、地磁异常和磁偏角等部分组成。
详细描述
地磁场主要由主磁场、地磁异常和磁偏角等部分组成。主磁场是指地球内部金属元素所产生的磁场，是地磁场的 主要部分。地磁异常则是指地球表面某些区域的地磁场强度和方向与周围不同的现象。磁偏角则是由于地球内部 的金属元素分布不均匀，导致地磁场方向与地球地理经线不重合而产生的角度差。
地震活动
研究表明，地磁场的变化可能与地震活动有关联，可能是预测地 震的重要指标之一。
火山活动
火山喷发过程中释放的物质可能会影响地磁场，而地磁场的变化也 可能预示着火山活动的发生。
地球物理学研究
地磁场的变化是地球物理学研究的重要领域之一，对于了解地球内 部结构和地球动力学具有重要意义。
06
地磁场的未来研究与展望
03
地磁场的形成与变化
高中物理“地磁场”教学要点
高中物理“地磁场”教学要点
高中物理中，关于地磁场的教学要点可以包括以下几个方面：
1. 地磁场的概念：地磁场是指地球周围存在的一种磁场，它是由地球内部的磁场产生的。
地磁场的方向一般与地球自转轴的方向相似，但不完全一致。
2. 地磁场的性质：地磁场是一种矢量场，具有方向和大小。
地磁场的大小在地球不同区域有所差异，一般在地球表面的赤道附近场强最弱，在地极附近最强。
3. 地磁场的测量：通过使用地磁仪可以测量地磁场的强度和方向。
地磁仪的工作原理是基于电磁感应。
4. 地磁场的形成：地磁场是由地球内部的物理过程产生的，主要包括地球内部液态外核的对流和地球自转导致的科里奥利力。
5. 地磁场的应用：地磁场在导航和定位等方面有着广泛的应用，如地磁罗盘和地磁导航系统。
6. 地磁场与人类活动的关系：地磁场对人类的生物活动有一定的影响，如鸽子等动物可以利用地磁场进行导航。
在教学中，可以通过简单的实验和数学推导等方式，帮助学生理解地磁场的产生和性质，并引导学生思考地磁场的应用和与人类活动的关系。
同时，引导学生对地磁场的测量结果进行分析和讨论，培养学生的实验和科学思维能力。
脚下的电磁学浅谈地磁场课件
地磁场对生物的影响
生物定向与迁徙
地磁场对许多生物的迁徙和定位 行为有重要影响，如鸟类、鱼类
和某些昆虫。
生理功能调节
研究表明，地磁场对生物的生理功 能具有一定调节作用，如对神经系 统、内分泌系统和免疫系统的影响 。
睡眠节律
地磁场的强度和方向变化与生物钟 和睡眠节律有关，影响睡眠质量和 生物体的昼夜节律。
详细描述
地磁场对地球上的生物和人类生活等方面都有重要影响。例如，许多生物依靠地磁场进行迁徙和导航，而人类则 利用地磁场进行磁力勘探、磁力成像等技术应用。此外，地磁场还能保护地球免受太阳风等宇宙射线的伤害，对 地球的气候和生态系统的稳定也有重要作用。
02 地磁场的形成与 变化
地磁场的形成原因
地球内部的金属元素
地磁场是由于地球内部的铁、镍等金 属元素产生的。这些金属元素在地球 内部形成了一个大规模的导电体，称 为地核。
电流产生磁场
磁场强度与地核半径
地核的半径约为3470公里，而地球表 面的磁场强度在25-65微特斯拉之间 变化。
当地球自转时，地核中的金属元素产 生电流，根据安培定律，电流在周围 产生磁场，从而形成了地磁场。
地球物理学的交叉研究
地磁场研究将与地球物理学、地质学等学科交叉 融合，从多方面探究地磁场的成因和变化机制。
3
数值模拟和理论分析
通过建立更精确的数值模型和理论分析方法，深 入理解地磁场的物理机制和演化过程。
地磁场在科技发展中的重要地位
导航与通信
地磁场在导航、通信和地球物理勘探等领域具有重要应用价值，为 人类探索地球和宇宙提供了基础支持。
科技创新驱动
02
鼓励科技创新，研发新的技术手段和设备，提高地磁场资源利
地磁场的构成
n=1 偶极场，主磁场，占9/10，或称均匀球化磁体场； n=2 双偶极体； n=3 第3级多偶极体。
北地磁极
地球北极
S
N S
N
转动轴 地磁轴
图2 地心磁偶极子的磁场
图3 非偶极磁场等值线图
二、地磁场的基本分布特征
1.地球有两磁极（靠近地理两极）； 2. 在两极处，I最大，Z最大，H=0； 3.在赤道处，I最小，Z趋向于0，H最大； 4. H指向磁北，Z北半球向下，南半球向上； 5.磁轴与地球旋转轴不重合，夹角约为11．50。 ；
（正北） （磁子午线） H D 0
T为该点地磁场总强度。直角 坐标轴x指向地理正北，Y轴 指向东，z轴垂直向下。T在 三个坐标轴上的投影分别为 北向分量X、东向分量Y和垂 直分量Z；T在xoy水平面内 的投影称为水平分量H，它 指向磁北方向；T与H间的夹 角称为磁斜角I，T与X间的夹 角称为磁偏斜角D。
4.磁化率椭球和数量椭球
椭球方程
2 2 x3 x12 x2 1 2 2 2 (1/ k1 ) (1/ k2 ) (1/ k3 )
（三）表示磁组构图件参数
1.参数 ①平均磁化率 ②磁化率各项异性度 ③磁面理 ④磁线理 ⑤磁化率椭圆扁率
2.图件 ①P频谱图 ②磁组构弗林图解 ③椭圆形状 ④磁化率张量主方向赤平投影图
（1）球谐分析
n<8 地核；n=8—13 地幔； n>13 地壳
（2）局部性的地磁场格型
1）多项式拟合法 2）球冠谐和分析（SCHA） 3）通过航磁，海磁与地磁，或者通过卫星磁异常 进行数据处理
二、区域地磁场的成因 1.地壳 结晶基底：大陆（花岗岩，片麻岩），大洋（玄 武岩类）
①地壳上部磁源引起（固结） ②居里面相关
九年级物理地磁场知识点
九年级物理地磁场知识点地磁场是物理学中一个重要的概念，在九年级物理中也是一项必修内容。
地磁场的概念、特点以及影响因素都是我们需要了解的知识点。
本文将以九年级物理地磁场知识点为主题，逐一讲解相关概念，并探讨其应用和意义。
一、地磁场的概念和特点地磁场是地球周围的磁场，其产生是由地球内部的地核、外核和大气中的电离层等物质的磁性和运动产生的。
地磁场的特点主要表现在以下几个方面。
1. 方向性：地磁场是一个矢量场，其方向从地球南极指向地球北极，并与地球表面的经线和经线之间的夹角有关。
这一特点使得地球上的磁针指向北方，成为导航和定位的重要依据。
2. 不均匀性：地磁场在地球表面并不是均匀分布的，受到地球内部结构和地壳磁性物质的影响，不同地方的磁场强度和磁场方向都会有所差异。
3. 变化性：地磁场的强度和方向并非恒定不变的，而是会随着时间和空间的改变而发生变化。
这种变化可通过地磁观测站的观测数据得到，从而揭示地球内部的变化和活动。
二、地磁场的应用地磁场对我们生活和科学研究都具有重要的应用价值。
1. 导航和定位：地磁场的方向性使得我们能够利用磁罗盘进行导航和定位。
在没有GPS等技术之前，航海和探险等活动都离不开地磁场的引导，现如今磁罗盘在航海、航空和军事等领域仍然具有重要地位。
2. 地磁探测：地球内部的磁性物质分布情况和变化会对地磁场产生影响，通过地磁探测可以了解地下的物质构造和矿产资源分布。
这对于地质勘探和资源开发有着重要的指导作用。
3. 空间科学研究：地磁场的变化与太阳风、地球磁层和宇宙射线等有关，通过对地磁数据的分析，我们可以研究地球与宇宙的相互作用以及太阳活动对地球环境的影响。
这对于了解宇宙的起源和演化具有重要意义。
三、地磁场的影响因素地磁场的形成和变化受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面。
1. 地球内部：地磁场的主要来源是地球内部的地核和外核。
地核是由铁、镍等物质组成，通过热对流产生涡旋状电流，形成了地球的磁场。
第二章 磁法勘探 第一节(一) 地球的磁场及磁异常解读
磁法勘探可用于地质调查的各个阶段。在地
质填图时﹐磁法勘探可以划分沉积岩﹑喷出岩﹑ 基性岩﹑超基性岩及变质岩的分布范围﹔可以研 究沉积岩下面的基底构造﹔查明各种控制成矿的 构造﹐如深大断裂和火山口等。在普查找矿时﹐ 磁法勘探可用来直接寻找磁铁矿床﹐并可与其他 物探方法配合﹐间接寻找或预测石油﹑天然气 ﹑
向上。
由地磁场的基本特征，如地球有两个磁极，
磁极处的地磁场约等于磁赤道上的地磁场的两倍 及地磁场的等强度线，等倾线大致与纬度线平行 等，说明地磁场与一个磁偶极子的磁场相近。确 切地说，现代地磁场与一个磁心位于地心、磁轴 与地理轴夹角为11.5°、磁矩约等于7.9×1022 A.m2的磁偶极子的磁场拟合的最佳。通常称这个 磁偶极子为地心偶极子。
2.地磁要素
地磁场总强度 T 是矢量，为描述地磁场总强
度T 在地表某一点的状态，我们定义若干个地磁
要素。将空间直角坐标系的原点置于考察点，x轴
指地理北(或真北)N，z轴铅直向下。
正，图南中半，球I为T 地上磁倾倾，角规，定北I为半负球；ZT 为下地倾磁，场规垂定直I为
分水理分量平北量，分向，北 量 东 全半 ， 偏 球D球 全 皆为Z球 指为正皆向正，指真，西磁北南偏北，半DY；为为球D负地Z为为；磁地负X场磁；为东偏H地向角为磁分，地场量H磁北，自场H向地 东偏Y为正，H 西偏Y为负。 以上七个量称为地磁 要素，它们的关系如下：
煤﹑铜﹑铝﹑镍和其他金属﹑金刚石等。在勘探 磁铁矿床时﹐结合钻探资料﹐可以推定矿体的形 状﹐指导正确布置钻孔和寻找钻孔旁侧及深部的 盲矿体。此外﹐磁法勘探还可用于研究深部地质 构造和解决其他地质问题﹐以及应用于考古学等 方面。
钒钛磁铁矿
轻型飞机航空磁力/磁梯度测量
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它们与地磁极、地磁赤道、地磁子午面的区别。
已知： 地磁北极的地理坐标为： φ0=78.8°N λ0=70.8° W 佘山地磁台的地理坐标为： φ=31°05′48″N λ=121°11′11″E
求：佘山地磁台的地磁坐标Φ、Λ？
换算公式：
P00 1 P10 cos P11 sin Pmm (2m 1) / 2m sin Pmm11 (m 1) Pnm [(2n 1) cosPnm1 Rnm1Pnm2 ] / Rnm dPnm / d (n cosPnm Rnm Pnm1) / sin
成分 1 主磁场
内 源
2
局部场
场
3 感应场
规则磁 4 暴场
不规则
5 磁暴和
外
亚暴场
源
场 6 日变化
7 脉动
场源位置
地球外核
居里点以 上的地壳 地壳、上 地幔和海 洋 磁层
电离层和 磁层
电离层
磁层
最大强度nT 形态特征 时间特征 测量
应用
5000070000
100100000
下述四种变 化场的1/2
150500
2个负异常中心 北非磁异常(AF) 中心强度为-18000nT 大洋州磁异常(AUS) 中心强度为-12000nT
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3. 全球地磁场空间分布的主要特点 (1)偶极子磁场成分占绝对优势， 说明地磁场近似为地心偶极子场； (2)磁轴与地轴有一个不大的夹角；
(3)存在几个大尺度磁异常，说明 非偶极子磁场成分的存在；
x0 )
x
(
y
y0 )
y
(z
z0 )
z
]q
f
( x0 ,
y0,
z0
)
(n
1
[( x 1)!
x0
)
x
(
y
y0
)
y
(z
俄罗斯库尔斯克铁矿区总强度磁异常分布
接43
第四节 地磁场的空间分布特征
一、地磁图
1. 地磁图？ 描绘在地图上的地磁要素等值线 图, 称为地磁图。 属于专业用等值线图
俄罗斯库尔斯克铁矿区总强度磁异常分布
接43
3.地磁图的用途？ （1）直观反映地磁场的空间分布特征， 是描述地磁场空间分布特征的直观图像，是 描述地磁场的最常用方法之一。 （2）估算任一点任一年份的地磁要素值
内外场合并得线性方程组
X
n
( pnm
n 1m 0
cos m
qnm
sin m ) Pnm(cos )
Y
n
(
n 1m 0
pnm
sin
m
qnm
cos
m )
mPnm (cos sin
)
Z
n
(
p'
m n
cos
m
q'
m n
sin
m
)Pnm
(cos
它产生的磁场 3 107 106 nT
极限估计：即使电流达到 磁场仅为
3A / km2 1nT
五、 磁场的多极子表示
点磁荷系统
磁位
U
0 4
i
mi Ri
Ri (x xi' )2 ( y yi' )2 (z zi' )2
函数的泰勒展开
f
(x,
y,
z)
qn 0q1![( x
(sin
U )
1
sin 2
2U 2
0
用分离变量法解
U R(r)Y ( , ) (r2 U ) 1 (sin U ) 1 2U 0
r r sin
sin 2 2
Y
(r2 r
R ) R 1 r sin
100nT/Tic
31/03-01/04/2000 magnetic storm
MZL
BJI LYH WHN
QGZ
H Component
00:00
12:00 00:00 Mar 30
12:00 00:00 12:00
Mar 31
Apr 1
Time(minute)
00:00
12:00 Apr 2
00:00 UT
返回33
接35
换算公式：
地磁坐标系的经纬度网
第二节 地磁要素及地磁三要素 一.地磁要素？符号？ 特定空间直角坐标系？
接14
地磁场总强度矢量F ； 地磁场垂直强度 Z ； 地磁场水平强度 H ； 磁倾角I ； 磁偏角D ； 地磁场北向强度X ； 地磁场东向强度Y ； 正负规定？
磁子午面内有 哪些地磁要素？
H: 由南向北H值减小 (40000nT →20000nT)
F: 由南向北F值增加 (40000nT →60000nT)
D
返回
I
返回
Z
返回
H
返回
F
返回
三、几个概念 磁极：地球上磁倾角为90°的点（区域） 磁赤道：磁倾角为0 °的等值线 磁子午面：包含地磁场总强度的平面
返回37
思考题： 1. 什么是地磁图？ 2. 简述地磁场的空间分布特征？ 3. 如何用地磁场的空间分布特征说明地磁场近
)
n 1m 0
已知
待求
pnm gnm jnm
qnm
hnm
k
m n
p'
m n
nj
m n
(n
1)
g
m n
q
'
m n
nknm
( n 1)hnm
Z分量不可缺！
X分量
pnm gnm jnm qnm hnm knm
Z分量
p'nm
nj
m n
(n
1) g nm
(sin
Y
)
R
1 sin 2
2Y 2
0
1 (r 2 R ) 1 1 (sin Y ) 1 1 2Y 0
R r r Y sin
Y sin 2 2
1 (r 2 R ) 1 1 (sin Y ) 1 1 2Y n(n 1)
R r r Y sin
Y sin 2 2
R(r) : (1 )n1, r n r
Y (,) ( )()
二. 拉普拉斯方程的解—球谐级 数
U
a
n1
n m0
(
a r
)
n1
(
g
m n
cos m
hnm sin m)
(
r a
)n
g10 29991.6 0.27 j10(nT)
四、有旋场存在吗？
有旋=有电流
Ir
B|r
(B sin ) B r sin r sin
地磁分析结果：最大垂直电流 0.1A / km2
（极区向上，赤道区向下）
地球-大气电实测结果:向下电流 106 3 106 A / km2
复习： 物理学中学过哪些磁场？ 磁场是什么样的物理量（矢量、标量）？ 如何描述磁场？ 如何用磁力线描述磁铁、电流的磁场 如何表示空间任一点的磁场矢量？ 表示磁场大小的物理量？单位（国际单位制）是什么？ 罗盘（指南针）为什么会指南？
第二章 地 磁 场
第一节 地磁场及其基本特征
一、地磁场 地球本身及其周围空间存在的电磁 场，即地球的磁场。 地磁场是矢量场，地磁场强度矢量
偶极子场为 主
很不规则， 波长可小到 1米
一般为全球 场，但许多 地方不规则
近似均匀的 外场
千年尺度长 期变化和百 全球测量） 万年的倒转
局部测量
无
（地面或航
测）
与下述四种 台站或临时
场同
台磁力仪
4-10小时， 恢复2-3天
台站磁力仪
控制其他磁 场成分，用 于导航等
用于地球物 理勘探、海 底扩张速率
Be
U e r sin
n n 1m
0
(
r a
)
n
1
(
jnm
sin
m
k
m n
cosm
)
mPnm (cos sin
)
Ze
Ber
U e r
n
n(
n 1m 0
r a
)n1(
jnm
cosm
k
m n
sin
m )
Pnm
(cos )
第五节 地磁场的球谐分析
一. 磁场方程
B 0, B U
2U(r,, , t) 0
球坐标系中的磁场和拉氏方程
B
rˆBr
ˆB
ˆB
(rˆ U r
ˆ 1
r
U
ˆ
1
r sin
U )
2U
r
(r 2
U ) r
1
sin
生的外源场约为10-40 nT，方向基本沿着偶极轴方向。 MAGSAT： 20 nT左右——确定外源场的可信资料。
j10 18.4 0.63Dst j11 1.1 0.06Dst k11 3.3 0.17Dst 外源场在地球内部的感应电流对内源场也有贡献，所以内源场的高 斯系数可以表示成一个常数地核场与一个感应内部场的和