地磁场的成因

人们对地磁场的成因作过各种各样的探讨，创立了众多的假设，如磁化理论、感应理论、电流理论、波动理论和发电机理论。由于它与地球演化、地球内部的能量和运动以及天体磁场来源密切相关而成为地球物理学重大理论难题之一，至今尚未有满意的结果。

图15-17 450万年来的地磁极性年表

地磁场的球谐分析从理论上肯定了地磁场的源在地球内部，并且地磁场在时间上具有稳定的空间磁偶极磁场特征，在漫长的地质史上磁偶极磁场曾经历过多次反向（从统计意义上讲，正、反极性的概率相等），这些都是地磁场起源理论需要解释的主要现象。

吉尔伯特根据地磁场在地球表面的分布类似于一个地心磁偶极子所产生的磁场这一观测事实，提出了最早的永久磁化理论。

如果一个均匀磁化球在球外所产生的磁场与中心偶极子一样。如果地球是一个均匀磁化球，要产生观测到的地磁场，地球的平均磁化强度应为80A/m（0.08G）。地球上确实已经发现有的岩石具有这样大的磁化强度，其中磁铁矿的含量超过50%，但这已达到了天然岩石磁化强度的上限，地球不可能完全由这样的物质组成。

更重要的是，岩石只能在居里点温度（大约为600℃）以下，才能获得永久磁化。根据地温梯度估计，在20～30km深度处，温度已经达到居里点温度。如果地磁场仅仅由地表到20～30km这一薄层地壳所产生，则要求地壳岩石的磁化强度高达600A/m，这显然是完全不可能的。

随着人们对于地球内部结构和物质组成认识的深化，揭示了液体外核铁、银组分可能的高导电性能，提供了由物质运动和磁场相互作用维持地磁场的有利场所。而地磁场长期变化的西向漂移现象的研究提供了估计这种运动状态和量级的一种可能，这就是20世纪40—50年代发展起来的“发电机理论”。这种理论刚刚问世的时候尚不能解释地磁场反向的事实，后来又有“非稳定的发电机理论”，可以解释地磁场反向的现象。这在很大程度上提高了“发电机理论”的声誉。目前它被认为是地磁场起源理论中较为合理的和有希望的一个。

先考虑最简单的情况，即单圆盘发电机，如图15-18所示。导电圆盘A在轴向外磁场B0中以角速度ω绕轴旋转，电刷B与圆盘A的边缘相接触，并与环形回路相连接。回路的另一端由电刷C与轴相接触。导电圆盘在磁场中运动，将产生经向的感应电动势（动生电动势），即在转轴与圆盘边缘之间产生电动势，于是有电流I在环形回路中流动。此电流产生的磁场，在圆盘范围内可看作是均匀的。若环形回路方向选择适当，电流I产生的磁场b与外磁场B0同方向。若圆盘旋转速度足够大，则磁场将不断增强，若旋转速度过小，则磁场将不断衰减。在稳定状态中，得到的场强维持一常数值。

当圆盘A在外磁场B0中旋转时，转轴与圆盘边缘之间的电动势为

图15-18 单圆盘发电机

式中，a为圆盘半径。若设整个回路的电导为σ，那么回路中的起始电流为

设回路电流产生的磁场b与B0同方向，则总磁场B=b+B0。在圆盘旋转时，由于产生的磁场b是变化的，故通过圆盘的磁通量φ也是变化的，因此在圆盘里又有附加的电动势：

于是环形回路中的电流为

在一级近似情况下，且设磁导率μ=μ0，取环形回路中心的磁场值为b值，即

设B0很小，可以忽略，因此有

为使＞0，即磁场随着圆盘转动而增强，必须有

在稳定状态时，则要求

设地核内相对转动的半径为地核半径的一半，考虑一理想回路模型，可以得到

ω≈10-10/s（15-38）

这个量级在地核中是允许的。

另外还有一个问题需要说明，上述讨论中原始外磁场B0是如何来的？现在人们认为地球内部存在铁磁体，而铁磁体绕轴旋转可以产生一个弱磁场。根据理论计算，若铁磁体绕轴旋转频率为n，铁磁体沿其旋转轴方向磁化的磁化强度M为

对于地球来说，n=（1/8.64）×10-4/s，则有

虽说这个数值比地球的平均磁化强度7.3×101A/m小很多，但它毕竟提供了在发电机理论中必不可少的原始外磁场B0。

上述单圆盘发电机模型虽能说明有一个稳定的地磁场，但难以解释地磁场的长期变化与磁极性反转。为了解决这一难题，科学家又提出了双圆盘发电机理论。图15-19绘出了双圆盘发电机示意图。两个圆盘之间存在着非线性电磁耦合作用，圆盘角速度ω将受到扰动。与此相应，系统电流也发生变化。当电流扰动加大到一定的程度时，系统电流反向，并有可能围绕新的反向后的平衡位置摆动，结果磁场发生倒转。由于双圆盘发电机模型解释了地磁场长期变化和地磁场方向反转的事实，增强了人们对发电机理论的信念。

图15-19 双圆盘发电机