探索地球的磁场现象

探索地球的磁场现象

地球磁场相当于在地球中心放了一个磁铁棒，大体上使它的N极对着南极而产生的磁场形状。当然，并没有什么磁铁棒在地球中心，磁场的产生缘自电流在导电液体核中流动的发电机效应。

*地球磁场的结构

地球磁场并不是孤立存在的，而是受很多外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到存在着太阳风。太阳风是一种高温高速低密度的粒子流，从太阳日冕层向行星际空间抛射而出，电离氢和电离氦是其主要成分。由于太阳风是一种等离子体，因此也有磁场。地球磁场被太阳风磁场施加作用，仿佛要被其从地球上吹走似的。尽管如此，面对太阳风的长驱直入，地球磁场仍对其进行了有效的阻止。太阳风在地球磁场的反抗下绕过地球磁场，向前继续运动，于是形成了一个地球磁场区域，即磁层。它被太阳风包围，呈彗星状。

位于地面600～1000千米高处的地球磁层，其外边界是离地面5～7万千米的磁层顶。地球磁力线在太阳风的压缩下，会朝背向太阳一面的空间延伸很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在距离磁赤道附近，还有一个特殊的界面。在该界面两边，磁力线会突然改变方向，人们把这个界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，大约有1000千米的厚度。中性片将磁尾部分成两个部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。

科学家于1967年发现，在中性片两侧充满了密度较大的等离子体，这一区域约有10个地球半径的范围，因此该区域被称为等离子体片。当太阳剧烈活动时，等离子片中的高能粒子就会增多，并沿磁力线向地球极区快速地沉降，于是便出现了绚丽多彩、千姿百态的极光。因为太阳风是以高速接近地球磁场的边缘，由此便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。在波阵面和磁层顶之间的过渡区域叫磁鞘，约有3～4个地球半径的厚度。

*地球磁极的形成原因

关于地球磁场的存在原因，目前还不为人所知，普遍的观点认为是由地核内液态铁的流动而引起的。其中“发电机理论”是最具代表性的假说。根据磁流体发电机的原理，物理学家埃尔萨塞认为，当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动时，就会产生电流，如同磁流体发电机一样；而电流的磁场又会增强原来的弱磁场。磁场增加到一定程度就会稳定下来，从而形成了现在的地磁场。

还有一种假说认为：在770℃（居里温度）的高温中，铁磁质的磁性就会完全消失。铁在地层深处的高温状态下，会达到并超过自身的熔点而呈液态，此时地球磁场决不会形成。而应该用“磁现象的电本质”来进行解释，认为按照物理学研究结果，物质在高温、高压下，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。因此，在高达6000K的温度和360万个大气压的环境中，会有大量的电子逃逸出地核，在地幔之间形成负电层。依据麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，地球南北极式的磁场若要形成，就必然要有旋转的电场形成；而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场也就由此而生了。

不过，这些假说目前还没有找到有力的证据证明，因此还需要科学家的进一步研究探索。

*为何会发生磁极倒转现象

地球在通常情况下也不是稳定的，而经常根据地球内部变化的磁场，也在进行着相应的调整。这种变化非常缓慢。但是科学家们近百年来发现，磁场正在减弱。这是否是对磁极倒转的征兆呢？

其实法国的古地磁学家布容早在1916年就发现，古老岩石的化石中磁场（古地磁场所造成的岩石的永久磁性）所指示的磁场方向相反。后来，又有一系列类似的发现。许多科学家对此大为不解，因为当时没有人敢作出地磁的南北极会互换位置的设想，多数科学家都将注意力放在了研究岩石冷却时是怎样获得磁性的，以及在这个过程中是否可能会产生与外界磁性相反的磁场。到了20世纪50年代，科学家们又发现了一些类似的特殊矿场，这就迫使科学家开始寻求新的解释方法。于是，地磁南北极曾互易位置的大胆假设也就出现了。

科学家根据各年代地球岩石被地球磁场磁化的方向，认为地磁曾经多次发生过磁极倒转。这是一些基性岩浆岩，是“冻结”了少量地球磁场磁力而形成的。大约从6亿年前的前寒武纪末期到约摸5.4亿年前的中寒武世，地球磁场是反向磁场；而再到3.8亿年前的中泥盆世，磁场则是正向。地磁场在过去的450万年里曾发生过两次磁极倒转。

目前对于磁极换位的原因有两种猜想：偶然现象和必然现象。在地球的地核中，只有内地核是固体（高压导致），其余均为液体，是液态铁质。由于上文提到，“铁液循环流动产生电磁”这一猜想是磁场产生的原因，那么由于某些对流可能突发导致回路，回路衍生到地表产生反回路，最后致使整个磁场发生倒转。全部过程3～100万年不等，首先，地磁场完全混乱，而后历经1万年左右消退，继而在反方向增强。也有人认为，在几千年内，这个问题就能解决。但是，还有人认为磁场换位是必然的，是有规律、可预见的，只是人类还未掌握而已。美国科学家通过对明尼苏达湖底的沉积岩的研究表明，地球未发生磁极变化已有70万年了。但磁场在近4000年正在急剧变弱，有一半强度损失。由此可见，地球现在已进入磁场倒转的前夕。

至于地球磁极发生倒转的原因，现在还没有确定的答案。地球从产生到目前，磁场方向一直在变，只不过相对缓慢罢了。不过现在对产生磁极倒转的原因有很多说法，占主流的主要有：由于地球位于银河系这个大磁场里，地球磁极的倒转是以银河的磁极倒转为转变依据的；也有的认为，因为地球内部的物质不断碰撞致使地球内部的磁场不断变化产生磁极倒转；还有的认为，磁场发生转变的原因是陨石撞击地球造成的。但不管是何种说法，现在都还只是猜想，人类对地球的探索将不会停歇。