地球磁場

地球磁場（the earth magnetic field）是地球周圍空間分佈的磁場。它的磁南極大致指向地理北極附近，磁北極大致指向地理南極附近。磁力線分佈特點是赤道附近磁場的方向是水平的，兩極附近則與地表垂直。赤道處磁場最弱，兩極最強。地球表面的磁場受到各種因素的影響而隨時間發生變化。 ^[1] 

歷史上，第一個提出地球磁場理論概念的是英國人吉爾伯特。他在1600年提出一種論點，認為地球自身就是一個巨大的磁體，它的兩極和地理兩極相重合。這一理論確立了地球磁場與地球的關係，指出地球磁場的起因不應該在地球之外，而應在地球內部。

1893年，數學家高斯在他的著作《地磁力的絕對強度》中，從地磁成因於地球內部這一假設出發，創立了描繪地球磁場的數學方法，從而使地球磁場的測量和起源研究都可以用數學理論來表示。但這僅僅是一種形式上的理論，並沒有從本質上闡明地球磁場的起源。

科學家們已掌握了地球磁場的分佈與變化規律，但是，對於地球磁場的起源問題，學術界卻一直沒有找到一個令人滿意的答案。

關於地球磁場起源的假説歸納起來可分為兩大類，第一類假説是以現有的物理學理論為依據；第二類假説則獨闢蹊徑，認為對於地球這樣一個宇宙物體，存在着不同於現有已知理論的特殊規律。

屬於第一類假説的有旋轉電荷假説。它假定地球上存在着等量的異性電荷，一種分佈在地球內部，另一種分佈在地球表面，電荷隨地球旋轉，因而產生了磁場。這一假説能夠很自然地通過電與磁的關係解釋地球磁場的成因。但是，這個假説卻有一個致命缺點，首先它不能解釋地球內外的電荷是如何分離的；其次，地球負載的電荷並不多，由它產生的磁場是很微弱的，根據計算，如果要想得到地球磁場這樣的磁場強度，地球的電荷儲量需要擴大1億倍才行，理論計算和實際情況出入很大。

以地核為前提條件的地球磁場假説也屬於第一類假説，弗蘭克在這類假説中提出了發電機效應理論。他認為地核中電流的形成，應該是地核金屬物質在磁場中做渦旋運動時，通過感應的方式而發生的。同時，電流自身形式的場就是連續不斷的再生磁場，好像發電機中的情形一樣。弗蘭克所建立的模型説明了怎樣實現地球磁場的再生過程，解釋了地球磁場有一定的數值。但是在應用這種模型的時候，卻很難解釋地核中的這種電路是怎樣通過圓形迴路而閉合的。此外，這個模型也沒有考慮到電流對渦旋運動的反作用，而這種反作用是不允許渦旋分佈於平行赤道面的平面內的。

屬於第一類假説的還有漂移電流假説、熱力效應假説和霍爾效應假説等，但這些假説都不能全面地解釋地球磁場的奇異特性。

關於地球磁場起源還有第二類假説，這其中最具代表性的就是重物旋轉假説。

1947年，布萊克特提出任意一個旋轉體都具有磁矩，它與旋轉體內是否存在電荷無關。這一假説認為，地球和其他天體的磁場都是在旋轉中產生的，也就是説星體自然生磁，就好像電荷轉動能產生磁場一樣。但是，這一假説在試驗和天文觀測兩方面都遇到了困難。在現有的實驗條件下，還沒有觀察到旋轉物體產生的磁效應。而對天體的觀測結果表明，每個星球的磁場分佈狀況都很複雜，尚不能證明星球的旋轉與磁場之間存在着必然的依存關係。

因此上説，關於地球磁場的起源問題，學術界仍處在探索與爭鳴之中，尚沒有一個具有相當説服力的理論，對地球磁場的成因作出解釋。

地球磁場由基本磁場、外源磁場和磁異常三部分組成。

基本磁場也叫正常場。佔地球磁場的99%以上。基本磁場主要由地核內電流的對流形成．它是一種內源磁場。

外源磁場是起源於地球外部併疊加在基本磁場上的各種短期磁變化。主要有：與太陽黑子活動週期一致的磁變化；日變化，日變化與太陽輻射對高空電離層的影響有關；磁暴。

磁異常是地下巖礦石或地質構造受地球磁場磁化後，在其周圍空間形成併疊加在地球磁場上的次生磁場。 ^[1] 

地球磁場（the earth magnetic field）不是孤立的，它受到外界擾動的影響，宇宙飛船就已經探測到太陽風的存在。太陽風是從太陽日冕層向行星際空間拋射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是電離氫和電離氦。

因為太陽風是一種等離子體，所以它有磁場，太陽風磁場對地球磁場施加作用，好像要把地球磁場從地球上吹走似的。儘管這樣，地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅直入。在地球磁場的反抗下，太陽風繞過地球磁場，繼續向前運動，於是形成了一個被太陽風包圍的、彗星狀的地球磁場區域，這就是磁層。

地球磁層位於距大氣層頂600-1000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面5-7萬公里。在太陽風的壓縮下，地球磁力線向背着太陽一面的空間延伸得很遠，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個特殊的界面，在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微，厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向着地球，南面的磁力線離開地球。1967年發現，在中性片兩側約10個地球半徑的範圍裏，充滿了密度較大的等離子體，這一區域稱作等離子體片。當太陽活動劇烈時，等離子片中的高能粒子增多，並且快速地沿磁力線向地球極區沉降，於是便出現了千姿百態、絢麗多彩的極光。由於太陽風以高速接近地球磁場的邊緣，便形成了一個無碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過渡區叫做磁鞘，厚度為3-4個地球半徑。

地球磁場的形成具有一定特殊性，按照旋轉質量場假説，地球在自轉過程中產生磁場。但是，從運動相對性的觀點考慮，居住在地球上的人是不應該感受到地球磁場的，因為人靜止於地球表面，隨地球一同轉動，所以地球上的人是無法感覺到地球自轉產生的磁場效應的。通常所説的地球磁場只能算作地球表面磁場，並不是地球的全球性磁場（又稱空間磁場），它是由地核旋轉形成的。地球的內部結構可分為地殼、地幔和地核。美國科學家在試驗中發現，地球內外的自轉速度是不一樣的，地核的自轉速度大於地殼的自轉速度。也就是説，地球表面的人雖然感覺不到地球的自轉，但卻能感覺到地核旋轉所產生的質量場效應，就是它產生了地球的表面磁場。科學家在研究中還發現，地核的自轉軸與地球的自轉軸不在一條直線上，所以由地核旋轉形成的地球磁場兩極與地理兩極並不重合，這就是地球磁場磁偏角的形成原因。

科學家們在對地球磁場的研究中發現，地球磁場是變化的，不僅強度不恆定，而且磁極也在發生變化，每隔一段時間就要發生一次磁極倒轉現象。早在二十世紀初，法國科學家布律內就發現，70萬年前地球磁場曾發生過倒轉。1928年，日本科學家松山基範也得出了同樣的研究結果。第二次世界大戰後，隨着古地磁研究的迅速發展，人們獲得了越來越多的地球磁場倒轉證據。如岩漿在冷卻凝固成岩石時，會受到地球磁場的磁化而保留着像磁鐵一樣的磁性，其磁場方向和成巖時的地球磁場方向一致。科學家在研究中發現，有些岩石的磁場方向與現代地球磁場方向相同，而有些岩石的磁場方向與現代地球磁場方向正好相反。科學工作者通過陸上岩石和海底沉積物的磁力測定，及洋底磁異常條帶的分析終於發現，在過去的7600萬年間，地球曾發生過171次磁極倒轉。距今最近的一次發生在70萬年前，正如布律內所指出的那樣。

根據地球磁場起源理論，地球磁場磁極之所以發生倒轉，是由地核自轉角速度發生變化而引起的。地殼和地核的自轉速度是不同步的，現階段地核的自轉速度大於地殼的自轉速度。然而，40億年前，情況卻不是這樣，那時地球表面呈熔融狀態，月球也剛剛被俘獲，地球從裏到外的自轉速度是一致的，地球表面不存在磁場。但是，隨着地球向月球傳輸角動量，地球的自轉角速度越來越小。同時，地球也漸漸形成了地殼、地幔和地核三層結構。地球自轉角動量的變化首先反映在地殼上，出現了地殼自轉速度小於地核自轉速度的情形。這時，在地球表面第一次可以感受到磁場的存在，地核以大於地殼的自轉速度形成了地球磁場。按照左手定則，磁場的N極在地理南極附近，磁場的S極在地理北極附近。地殼與地核自轉角速度不同步，這種情形並不能長久地保持下去，地核必然通過地幔軟流層物質向地殼傳輸角動量，其結果是地核的自轉角速度逐漸減小，地殼的自轉角速度逐漸增大。當地殼與地核的自轉角速度此增彼減而最終一致時，地球磁場就會在地球表面消失。地核與地殼間的角動量傳輸並不會到此為止，在慣性的作用下，地殼的自轉角速度還在繼續增大，地核的自轉角速度繼續減小，於是出現了地殼自轉角速度大於地核自轉角速度的情形。這時，在地球表面就會感受到來自地核逆地球自轉方向的旋轉質量場效應。按照左手定則判斷，新形成的地球磁場的N極在地理北極附近，S極在地理南極附近。從較長的時期看，整個地球的自轉速度處在減速狀態，但地殼與地核間的相對速度卻是呈週期性變化的，這就是每隔一段時間地球磁場就要發生一次倒轉的原因。

據測定，地球磁場發生倒轉前有明顯的預兆，地球的磁場強度減弱直至為零，隨後，約需一萬年的光景，磁場強度才緩緩恢復，但是，磁場方向卻完全相反。地球磁場強度有逐漸減弱的趨勢，在過去的4000年中，北美洲的磁場強度已減弱了50%，這説明地核相對地殼的速度差正在縮小。值得説明的是，無論地球表面測得的地球磁場方向如何發生變化，但是，在太空中地球磁場的方向卻始終是不變的。因為在太空中測得的地球磁場，是整個地球自轉產生的旋轉質量場效應，並不會因為地殼與地核相對速度的改變而發生變化。根據左手定則，在太空中測得的地球磁場的N方向始終在地理南極上空。

在電磁感應效應中，通電導體產生的磁場強度與電流強度成正比，即與導體內“定向移動”的自由電子數目成正比。而每個電子的自旋角動量又是恆定的，所以磁場強度實際上是與所有電子的自旋角動量之和成正比。同理，宏觀物體產生的磁場強度，也應與旋轉質量場的角動量成正比，即與物體的質量和自旋角速度成正比，與質量場的旋轉半徑（觀測點到物體質心的距離）成反比。

在近地球的宇宙空間，地球所形成的空間磁場強度大於地表的磁場強度。空間磁場的最大特點是磁極恆定，不會像地球表面磁場那樣發生磁極倒轉現象。 ^[2] 

通常物質所帶的正電和負電是相等數量的，但由於地球核心物質受到的壓力較大，温度也較高，約6000°C，內部有大量的鐵磁質元素，物質變成帶電量不等的離子體，即原子中的電子克服原子核的引力，變成自由電子，加上由於地核中物質受着巨大的壓力作用，自由電子趨於朝壓力較低的地幔，使地核處於帶正電狀態，地幔附近處於帶負電狀態，情況就象是一個巨大的“原子”。

科學家相信，由於地核的體積極大，温度和壓力又相對較高，使地層的導電率極高，使得電流就如同存在於沒有電阻的線圈中，可以永不消失地在其中流動，這使地球形成了一個磁場強度較穩定的南北磁極。另外，電子的分佈位置並不是固定不變的，並會因許多的因素影響下會發生變化，再加上太陽和月亮 的引力作用，地核的自轉與地殼和地幔並不同步，這會產生一強大的交變電磁場，地球磁場的南北磁極因而發生一種低速運動，造成地球的南北磁極翻轉。

太陽和木星亦具有很強的磁場，其中木星的磁場強度是地球磁場的20至40倍。太陽和木星上的元素主要是氫和少量的氦、氧等這類較輕的元素，與地球不同，其內部並沒有大量的鐵磁質元素，那麼，太陽和 木星的磁場為何比地球還強呢？木星內部的温度約為30000°C左右，壓力也比地球內部高的多，太陽內部的 壓力、温度還要更高。這使太陽和木星內部產生更加廣闊的電子殼層，再加上木星的自轉速度較快，其自 轉一週的時間約10小時，故此其磁場強度自然也要比地球高的多。事實上，如果天體的內部温度夠高，則天體的磁場強度與其內部是否含有鐵、鈷、鎳等鐵磁質元素無關。由於太陽、木星內部的壓力、温度遠高於地球，因此，太陽、木星上的磁場要比地球磁場強的多。而火星、水星的磁場比地球磁場弱，則説明火星、水星內部的壓力、温度遠低於地球。

關於地球磁場的形成原因，一種關於地球磁場成因的假説認為：地球磁場的形成原因和其它行星的磁場的形成原因是類似的，地球或其它行星由於某種原因而帶上了電荷或者導致各個圈層間電荷分佈不均勻。這些電荷由於隨行星的自轉而做圓周運動，由於運動的電荷就是電流，電流必然產生磁場。這個產生的磁場就是行星的磁場，地球的磁場也是類似的原因產生的。這個假説和各個行星磁場的有無和強弱現象符合。

關於地球磁場的來源，早期歷史上曾有來自北極星的傳説，但是到公元17世紀初就已經認識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當時仍不清楚地球磁場是怎樣產生的。隨着科學的發展，對於地球磁場觀測和地球結構的研究不斷增多和深入，對地球磁場的來源先後提出了10多種學説。這裏按照歷史的先後對一些各有一定根據或設想的地球磁場來源學説作簡單介紹： ^[2] 

是最早提出的一種學説，認為地球內部存在巨大的永磁體，由這永磁體產生地球磁場。這是一個永磁場的假説，地球起源於一塊巨大的磁體。19世紀末，著名物理學家皮埃爾·居里發現磁石的物理特性，就是當磁石加熱到一定温度時，原來的磁性就會消失 ^[3]  。正好可以證明地球在誕生之初只是一塊超大的磁石，他吸引附近帶鐵、鈷、鎳元素的小行星.隕石和磁石，因為某種原因產生的高温使這塊磁石的磁力消失而變成了電磁鐵中間的磁芯..因為這塊磁芯沒有固定所以會發生磁極顛倒，牛頓發現的地球引力其實就是磁力當然這些還需要科學家的驗證...................按照“居里點”的結論地球內部不能有一個永磁體，但是並不代表它最初不是一塊永磁體

認為地球內部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產生地球磁場，但是既未觀測到這種巨大電流，而且巨大電流也會很快衰減，不會長期存在。

認為地球表面和內部分別分佈着符號相反、數量相等的電荷，由地球自轉而形成閉合電流，由此電流產生磁場，但這學説缺乏理論和實驗基礎。

認為在地球內部物質在超高壓力下使物質中的電荷分離，電子在這樣的電場中運動而產生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地球磁場的約千分之一（10-3）。

認為地球內的強磁物質旋轉可以產生地球磁場，但這種旋磁效應產生的磁場只有地球磁場的大約千億分之一。

認為地球內部的放射性物質產生的熱量，使熔融物質發生連續的不均勻對流，這樣產生温差電動勢和電流，由此電流產生地球磁場，但理論估計也同地球磁場不符合。

認為是地球內部的導電液體在流動時產生穩恆的電流，由這電流產生地球磁場。

是根據少數天體觀測得到的經驗規律，認為具有角動量的旋轉物體都會產生磁矩，因而產生磁場。這一學説需要使用一無科學根據的常數，5年後又被提出這一學説的科學家根據精密的實驗結果加以否定了。

認為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉，會使原始微弱的地球磁場放大，由此產生地球磁場。

認為在地球內部由於温度不均勻產生的温差電流和原始微弱磁場的同時使用下，會由霍爾效應產生霍爾電動勢和霍爾電流，由此產生地球磁場。

認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風到達地球后，會通過地球內部的電磁感應和整流作用產生地球內部的電流，由此產生地球磁場。在這些學説中，只有發電機學説（又稱磁流體發電機學説）在觀 測、實驗和理論研究上得到較多的證認，是研究和應用較多的地球磁場學説。