地球磁现象

地球磁现象

地球磁场的起源

关于地球磁场的来源，早期历史上曾有来自北极星的传说，但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，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，对于地球磁场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。这里按照历史的先后对一些各有一定根据或设想的地球磁场来源学说作简单介绍：（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，由这永磁体产生地球磁场，但后来认识到地球内部温度很高，不可能存在永磁体；（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，但是既未观测到这种巨大电流，而且巨大电流也会很快衰减，不会长期存在；（3）电荷旋转学说（1900年），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，但这学说缺乏理论和实验基础；（4）压电效应学说（1929年），认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一（10－3）；（5）旋磁效应学说（1933年），认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场，但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一（10－11）；（6）温差电效应学说（1939年），认为地球内部的放射性物质产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合；（7）发电机学说（1946—1947年），认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生地球磁场；（8）旋转体效应学说（1947年），是根据少数天体观测得到的经验规律，认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩，因而产生磁场。这一学说需要使用一无科学根据的常数，5年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了；（9）磁力线扭结学说（1950年），认为在地球磁场磁力线的张力特性和地核的较差自转，会使原始微弱的地球磁场放大，由此产生地球磁场；（10）霍尔效应学说（1954年），认为在地球内部由于温度不均匀产生的温差电流和原始微弱磁场的同时使用下，会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流，由此产生地球磁场；（11）电磁感应学说（1956年），认为由太阳的强烈磁活动通过带电粒子的太阳风到达地球后，会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流，由此产生地球磁场。在这些学说中，只有发电机学说（又称磁流体发电机学说）在观测、实验和理论研究上得到较多的证认，是目前研究和应用较多的地球磁场学说。但是由于地球内部结构较复杂，影响地球磁场的因素又很多，因此这方面的观测、实验和理论等方面的研究仍需要不断地进行。

关于地球磁场反向的学说，也有近10种，主要有非偶极型磁场变化学说（1964年），无规磁场起伏学说（1968年），地核流体对流对称性变化学说（1969年），地核流体对流区分布变化学说（1969年），地核三偶极型磁场学说（1969年），偶极型磁场变化学说（1971年），双偶极型磁场学说（1975年），银河星系旋臂干扰学说（1974年），地外天体撞击学说（1987年）等。前七种地球磁场反向学说来自地球内部，可称为内源说；后两种地球磁场反向学说来自地球以外天体的干扰或撞击，可称为外源说。

从以上的介绍可以看出，不论是地球磁场及相关磁现象的研究和应用，还是地球磁场和地球磁场反向的来源的学说，内容都是很丰富的，有的方面在科学意义上或是在应用价值上还是十分重要的。

地球磁场的变化和应用

长期的和世界范围的地球磁场的观测和研究表明，地球磁场是随时间和空间而变化的。因此许多地方都设立了不断观测和记录地球磁场变化的地磁观测台或地磁观测站。我国便在各大行政区和一些重要省市建立有地磁观测台（站）。地磁场的这些变化不但提供了许多有关地球结构和活动的信息，而且还有许多重要的应用。例如，磁法探矿已成为地球物理探矿中一种重要的和常用的方法。它同其他的地球物理探矿法如重力法和电学法等各具有其特点。磁法探矿不仅可应用于铁矿的勘探，而且还应用于与铁矿相伴生的其他矿物的勘探。前者称为磁法直接探矿，如磁铁矿、磁赤铁矿、钒钛磁铁矿和金铜磁铁矿等的勘探，后者称为磁法间接探矿，如含镍、铬、钴等的金属矿床，金刚石、硼、石棉等非金属矿床以及石油矿等的普查和勘探。

地球磁场和相关地磁现象的观测研究的应用是很多的。除磁法探矿外，还有如指南针的磁定向和磁导航；由地磁场的突变（磁暴）预报太阳活动和空间天气预报；地磁扰动和磁暴会对无线电通信和气候产生影响；地球磁场的异常变化与地震和火山活动有关，因而可能作为预报地震和火山的一种因素；地磁场观测结合其他地球物理观测可进行地质调查等。

地球磁场的反向

现代科学研究表明，地球磁场是随着地球的形成和演化而形成和演化的。但是，怎样知道地球磁场在地球演化过程中是如何变化的？这些变化又可以得到什么地球演化的信息呢？

关于在几十亿年的地球演化过程中的地球磁场变化情况是得自各个地质时期的大陆岩石和海洋岩石的磁性的观测研究。经过长期对地球上各个大陆和各个海洋的不同地质时期的强磁性岩石磁性的观测研究，即对岩石形成时的磁性保留到现在观测时的剩余磁性的观测研究，主要表明这些古岩石的剩余磁性的方向，即形成岩石时受到地球磁场磁化时的地球磁场方向，有的同现在的地球磁场方向相同（称为正向），有的同现在的地球磁场方向相反（称为反向）。在地球长期演化过程中，由地球磁场方向变化产生的不同地质时期形成的古岩石磁性方向（极性）的变化，另外，还可以根据古岩的剩余磁性以及古陶瓷等文物的剩余磁性等来确定古人类和古文物的年代，称为考古磁学。我国曾利用古地磁断代方法测定北京人、云南元谋猿人和四川巫山人的年代，结果同其他科学考古断代方法测定的年代是一致的。

元谋猿人牙齿化石

早更新世“巫山人”左侧下颌骨化石

地球磁场与极光

地球的极光现象是发生在地球北极和南极区域及其附近高空的美丽发光现象，其色彩鲜艳，形状多种多样，人类在几千年前就观察和记载了这一发光现象，称为北极光。但是在很长时期中都不知道发生极光的原因，更不知道极光与地球磁场的关系。直到近代科学的发展，才弄清楚极光的产生时间、表现形态和变化情况都同地球磁场密切相关。

地球的极光

极光的形成主要是由于太阳的带电微粒发射到地球磁场的势力范围，受到地球磁场的影响，从高纬度进入地球的高空大气，激发了高层空气质粒而造成的发光现象。地球是一块巨大的磁石，而它的磁极在南北两极附近。我们知道，指南针总是指着南北方向，就是因为受了地磁场的影响。从太阳射来的带电微粒流，也要受到地磁场的影响，而且使带电微粒流聚集在磁极附近。所以极光大多在南北两极附近的上空出现。在南极发生的叫南极光，在北极发生的叫北极光。

玉不琢，不成器，人不学，不知道。

——孔子《礼记·学记》