地球的磁场及地磁变动

第二节　地球的磁场及地磁变动

地磁场主要部分来源于地球的内部，称为地球的“基本磁场”，地磁场近似一个位于地心的偶极磁场。它可以看作是把一个磁铁棒放到地球中心，使它的北极大体上对着地理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，而是通过在电流导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。这个位于地心的偶极子磁场大约占地球“基本磁场”的90%，基本磁场的作用使得地球的理论磁场与长条状的磁条所产生的磁场相似，故地磁场的理论模型如图5．3所示。除了这个位于地心的磁偶极所产生的磁场外，地磁场还包含大约10%的非偶极磁场，它是由地球内部的局部因素引起的，不过它源于地球内部何处，仍然是个有争议的问题。传统的看法认为位于核幔交界处，但近几年有人根据卫星观测资料，对像非洲这样尺度不是很大的异常做了新的解释，认为它是由于早期侵入的岩浆在冷却过程中磁化而形成的。此外，还有来源于地球外部并叠加在基本磁场上的各种短期的变化磁场，属于地球的“变化磁场”，它主要是由太阳热辐射的变化、太阳风等的作用所引起的。所以实际上地磁场的形状已不同于理论上地磁场的形状，如图5．4所示。关于地磁场已观测到的各物理特征在此就不赘述了。

图5．3　理论上磁场的形状

关于地球磁场的来源，早期历史上曾有来自北极星的说法，但到公元17世纪初就已经认识到地球本身是一个巨大的磁体，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，对于地磁场的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，例如有永磁体学说、内部电流学说、电荷旋转学说、压电效应学说、发电机学说等等。那么，在这里，我从前文所述的平衡效应、核振荡角度来阐述我个人对地磁场的形成机理和发生磁极倒转现象这两个难题的一些观点。

图5．4　实际上现在磁场的形状

任何一种合理的地磁成因理论都必须符合地球内部的结构和性质，同时还要能够解释地磁场本身的各“显性”特征。

按照麦克斯韦的电磁理论，可以总结出这样一句话“电动生磁，磁动生电”，即：电流在导体中通过时可以产生磁场，地球的磁场就像一个通直流电的螺线管所产生的直流电磁场一样。地球内部的高温、高压，使地球内核的铁、镍等物质逃逸出电子，这些大量逸出的电子集中在相对内核压力小、温度低的液体外核球层，外核球层的这些大量自由电子随地球自转在宇宙空间建立了一个强大的磁场。

基于这样的认识，我认为地磁场的主要部分——磁偶极磁场可直接归结为由于外核有相对地壳、地幔的旋转速度，而这一相对旋转速度所形成的旋转电流产生了变化的磁场。这种磁场可以看成由一簇相互平行的电阻并联所形成的偶极场。由于地层的电导率极高，再加上热力和其他四种因素（见后详述）补偿了电阻所损耗的能量，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。

图5．5　核幔旋转速度差异

对于占地球内部所产生的主磁场约十分之一的非偶极场来说，关于它的起源还是个有争议的问题，传统观点认为它产生于核幔交界处，是由于地球外核靠近地幔的地方局部混乱的涡流所产生的。我比较赞同这一观点，由此外推有如下的结论：

地球的磁场可分为偶极场和非偶极场两部分，偶极场的大小主要受的控制，而非偶极场的大小、方向受外核内涡流的多少和分布形式的控制。

由上面对地磁成因的重新构想和结合前面核振荡、平衡效应过程的讨论，首先可以把制导地磁场变化的原因归结为如图5．6所示的五个方面。

图5．6　地磁场变化的影响因素

3和4为两类扰动式因素（振荡扰动和性态扰动）。由前面的讨论分析已知地核内会有核振荡现象，而这个振荡核显然会对外核中的平行电流产生一定量的扰动，例如，使其某时域新发生许多涡流、紊流，从而使地球的非偶极场所占的成分增大，或一下子使外核内原来的一些涡流体受压破灭等等。而性态扰动呢？泛指地球内各级结构体因在平衡效应时性态因子发生变化而对地磁场的作用发生变化，从而使地磁场受到扰动的一切因素，主要如外核中的热力变化、核素蜕变、相态转换等等。

这样一来，改变地球磁场的因素似就可以这样来概括：参动式因素1、2，可以主要通过直接改变地球偶极场的大小和方向来改变地球的总磁场；扰动式因素3、4，可以主要通过改变地球非偶极场的大小和方向来协助改变地球的总磁场。而单列出来的第5个因素：电阻滞动，它基本上的作用则是使电磁场受到电阻损耗而衰减。

通过进一步分析这五个直接作用于地磁场的因素间的相互关系的本质，可见它们之间互相联系、彼此耦合，和地磁场的维系同处于一个因果链，从根本上都可以归为地球内发生质量迁动的平衡效应。

这是由于无论是扰动式因素、参动式因素，还是最后的滞动式因素，它们内任一种形式的作用都可以通过或长或短的链条而效应到其他四个因素和地球的磁场时态上。这些作用量对地磁场产生的影响可能互相加强，也可能彼此削弱，共同耦合作用于地球的磁场。比如对电阻滞动来说，它形式上在使地磁场单调地衰减，然而，这衰减过程中被转化的电磁能又会到哪里去呢？显然它只可能又同时性地转化为地球（特别是地核）中其他形式的能，如热能。而这些新形成的热能又会改变受热地胞的性态函数，引起可能的物质迁动，从而效生平衡效应或核振荡变化量，进而通过因果链的传递又使惯性参动、环O参动、性态扰动、振荡扰动这四个因子各以特定作用关联进来，共同修正地球磁场。

一个长期惑人的难题是地磁场怎样发生变化，特别是何以达到完全倒转的地步。我觉得这个难题到此已可以重新给出一个巧妙的解答。以上五个因子共同作用的结果，既可能因彼此反向而抵消，也可能会相互叠合而放大；相互抵消的几率高，且促进地球磁场的稳定，而相互同向叠合时，这个突然因彼此耦合而一下子放大起来的作用量就可能促使地磁场发生磁极倒转，即Δω变号！

古地磁研究表明，地磁场大约每50万年倒转一次，但是以一种随机的方式进行，初期变化模式更是混乱。比如说，在恐龙生活的3500万年里没有发生一次倒转。从全球范围看，磁场保护地球免受太阳风和致命的粒子风暴的伤害。地磁场的崩溃会导致辐射的爆发，带来各种各样的破坏。

从如上的分析中也可以知道，在整个地球史中，地磁场的变化是一个各种形式都有的过程，它既可能有南、北极的突然倒转，也可能有缓慢的渐变。正是Δω的可正可负为地磁场的突然倒转提供了机制上的可能。

知识链接

14．核幔差异运动

核幔差异运动是指地核与地幔之间存在着旋转速度上的明显差异。20世纪90年代，在美国哥伦比亚大学工作的宋晓东和理查兹通过对1967—1995年靠近南极的南美桑威奇群岛附近发生的38次地震记录的分析，测量了通过地球内核传到靠近北极的阿拉斯加克里奇地震台的地震波速度，发现30年间南极发生的地震波到达北极的时间缩短了0．3秒，也就是说传播的速度变快了。由此直接证实了地球内核比地壳和地幔转动要稍稍快一点，大约300年要多转一周。人们获得了核幔差异运动的证据，从而揭开了研究核幔差异旋转及相关意义的序幕。尽管内核差异旋转的机制还没有最后认定，但这一重大发现对于认识地球的深部动力过程提供了极好的机会和手段，而且对于解释地磁场起源和地磁极性倒转具有重要的意义。