地球在转动，为什么我们不会被甩出去
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地球为什么有磁场，会不会翻转？有什么作用呢
08-12-03 &
地球磁场跟地球引力场一样,是一个地球物理场,它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的.基本磁场是地磁场的主要部分,起源于地球内部,比较稳定,变化非常缓慢.变化磁场包括地磁场的各种短期变化,与电离层的变化和太阳活动等 有关,并且很微弱. 地磁场也是一个向量场.描述空间某一点地磁场的强度和方向,需要3个独立的地磁要素.常用的地磁要素有7个,即地磁场总强度F,水平强度H,垂直强度Z,X和Y分别为H的北向和东向分量,D和I分别为磁偏角和磁倾角. 自从高斯(Gauss)把球谐分析方法引进地磁学,建立地磁场的数学描述以来,地磁学得到了极大的发展.目前,地磁模型包括全球的和局部地区的两种. 它就是到目前为止IAGA的有关小组每5年给出一个世界地磁参考场(IGRF). 全球地磁场模型: 在球极坐标系中,拉普拉斯方程的通解为: _ 在高斯分析中是根据内边界上的函数值及其法向变化率来确定高斯系数(g,h)的. 局部磁场模型 局部地区的地磁场模型方面的学术问题与全球的有所不同,局部地区的地磁场模型不能采用球谐分析方法因为没有&三维&意义 地磁场模型与地磁图是了解研究地磁场空间分布与时间变化规律,及其源的特征与变化的基础.因此,也是了解我们地球及有关的动力学过程的重要手段. 地磁场模型的科学价值: 经过多年研究分析,俄罗斯科学院医学基因研究中心地磁,电离层和无线电波扩散研究所的科研人员提出,地磁场的变化可导致人体淋巴染色体的畸变,使畸变的频率提高两倍. 地磁场的其他应用: 通过实验,科研人员得出结论,磁场变化的速度而不是磁场的绝对量影响染色体畸变的频率和细胞分裂过程中物质的交换,在一定范围内,地磁场的变化甚至影响DNA的合成. 据现代科学证明,地磁(气场)对人体有很大的影响: 如果人体长期顺着地磁的南北方向可使人体器官细胞有序化,产生生物磁化效应,使生物电得到加强,器官机能得到调整和增进,从而起到了良好的作用. 在地球南北两极附近地区的高空,夜间常会出现灿烂美丽的光辉.有时它像一条彩带,有时它像一团火焰,有时它又像一张五光十色的巨大银幕.它轻盈地飘荡,同时忽暗忽明,发出红的,蓝的,绿的,紫的光芒.静寂的极地由于它的出现骤然显得富有生气.这种壮丽动人的景象就叫做极光. 产生极光的原因是来自大气外的高能粒子(电子和质子)撞击高层大气中的原子的作用.这种相互作用常发生在地球磁极周围区域.现在所知,作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时,被地球磁场俘获,并使其朝向磁极下落.它们与氧和氮的原子碰撞,击走电子,使之成为激发态的离子,这些离子发射不同波长的辐射,产生出红,绿或蓝等色的极光特征色彩. 在太阳活动盛期,极光有时会延伸到中纬度地带,极光有发光的帷幕状,弧状,带状和射线状等多种形状.发光均匀的弧状极光是最稳定的外形,有时能存留几个小时而看不出明显变化.然而,大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化.弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显.极光最后都朝地极方向退去,辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区.造成极光动态变化的机制尚示完全明了. 在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中,有一种能量被称为&太阳风&.这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流,该太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场,磁场使该颗粒流偏向地磁极,从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应,形成极光. 地球的磁场还在不断发生变化,其变化方式也在发生变化.不同地方的磁场方向和强度均以不同的方式发生变化,可能变小,也可能南北极发生大翻转 .由于地球磁场的复杂性,要预计它在遥远的将来会是什么样子是不可能的.地球物理学家们利用分布在世界许多地方的磁场观测点收集的数据,通过数学模型分析出磁场将如何变化. 地球磁场不是孤立的,它受到外界扰动的影响,地球磁层是一个颇为复杂的问题,其中的物理机制有待于深入研究。
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我们脚下的大地有电流在流动，这一现象是不争的事实。因为我们知道，在太阳风强烈时大地里的电流可以烧坏供电设备和各类的通信设备，有时甚至可以烧毁输油管道。地学类的本科大学生所学的《地球物理学基础》里也有“地电学”这门学科的分支。有人说：大地里的电流我们既看不见，也无法测量。所以我们很难对它们进行探讨。可是我们从现代学科的《电磁学》里知道：“流动的电流会产生磁场，变动的磁场会生出电流。”依此，我们可以认定：大地电流在地面以上的表现就是地球磁场。由于地球磁场是已知的，我们可以假设一些边界条件；这样就能进行理论试算得到：大地电流的大致状况。电场、磁场相辅相成，在地球上的也不例外。以上所说，大地电流地磁场说应该就是地球磁场的成因。有人会问，地球磁场理论，近代科学界普遍认为是：地核相对自转发电机理论。实际上地核发电机磁场理论是一个非常不切实际的想法。有现代科学知识的人应该知道：在无外界干扰的独自自转的行星级天体，无论你怎样设计它的结构，它是不可能发出电来而形成广大磁场的，因为它本身不具有能量来源。上个世纪初，人们意识到：各类岩石的剩余磁性记载着当时形成岩石时的磁场特性。在半个多世纪里，人们测遍了所有的能找得到的各种石头。测量的结果令人震惊：大多数岩石的剩余磁场方向和当地磁场方向正好相反，而且反向剩磁的磁倾角不再是下垂，它变成为上翘（纬度越高上翘的值越大）。为了解释岩石剩余磁场的反向，1928年，日本的松山基范说：是当时的地球磁场翻转了。因为没有人能提出更好的解释，地磁场翻转说就成为学界的当然解释。反向剩磁磁倾角的上翘的现象至今却没有人能够给出解释，而且地学界甚至都不敢提及。依据地磁场的形态，大地电流应该是一个在地壳中沿纬度方向流动的，很薄的地球层体。它在赤道附近的电流最大，在两极处的电流很小。该电流层并不是固定在地壳某位置上不变的，地球的演化使电流层在地壳中上下波动。地球演变中，在地电流层之上冷却的岩石是正向剩磁，磁倾角向下。在地电流层以下形成的岩石，它获得的剩磁就是反向磁性，磁倾角上翘。在大地电流层中间形成的岩石无剩磁。用大地电流层解释岩石剩磁反向，其可以和实际情况符合的很好。这种解释应该就是实际发生的情况。地磁场在地球的演化过程中，不需要翻转，也没有翻转机制和其他生物学表现。就快要到2012年了，曾经的玛雅人预言2012年人类或许有大的变故。正好依据太阳的活动周期2012年也是太阳黑子活动高峰年。先是俄罗斯科学家，然后是印度的和其他国家的科学家认为，地球磁场正在减弱的过程当中，如果地球磁场要翻转，那么就要翻转了。如此，人类和地球生物将面临巨大的灾难。中国科学家马上认为，说这话的人都是业余科学家，民众不可相信他们的话。就好像中国科学家仅仅会说别人都是些：只是会些鸡鸣狗盗之雕虫小技的“民科”。期间好不热闹。关于地球磁场近年来为何在减弱，大地电流的能量来源等问题，我在《地球磁场》一书中有着详细地讨论。希望大家有兴趣。该书由中国新闻联合出版社出版，简介如下：令人惊奇的司南现象，让人心惊胆战的电闪雷鸣，使人无法理解的厄尔尼诺现象，还有神奇的百慕大三角海区失踪事件。它们都曾经给人以无穷的遐想。实际上它们都是磁场作用在地球表面而产生的自然现象。书中给出这些自然现象的理论解释及其试验方法。
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地球磁场从来就没有翻转过当居里告诉人们，永磁不耐高温时。人们开始意识到地球磁场就应该是一个电磁场。电磁场遵循麦克斯韦方程原理，所以在地球里面一定有电流在流动。依据我们测得的地球磁场形态反推地球电场，地球电场电流的最大处应该在赤道切面的平面上。当代地磁场理论认为，这个电流是在地核赤道上流动的（地核发电机原理），它的动力源于地球层之间的自转差。实际上这是一些很不切实际的想法，地球的较差自转本身就不是一个加速度，它不会有能量产生。赤道环电流形成地磁场，电流在地核上要比在地壳上须要更强大的动力，它是在级数上差别的能量级。所以根本上说地球内部就不会有这麽大的能量产生。科学的进步使人们知道，对自己周围的环境数量化很是重要。二十世纪人类开始测量各地岩石的剩余磁场，它可以表明岩石形成时地球磁场的许多参数。测量的结果令人震惊，有许多的岩石剩余磁场颠倒了。颠倒的剩磁是当时主要想解释的矛盾，经过很长时间思考，没有更好的解释，只好是说地磁场翻转了。可是岩石剩磁场不仅是颠倒，而且由下倾变为向上翘，这在当时科学界没太多地注意这个问题。这只是一个空间概念问题的思考，实际上地球磁场从来就没有翻转过。我们可以想象，在你面前横放着一个导电体，流经它的电流就可以在导体周围产生一个磁场，你可以把在你这边的磁场定义为正向磁场，那么在导体的另一边对你这面来说就是一个反向磁场。你面对的正向磁场某个点上，有它的场强、极向和倾角。在磁场发生翻转时，也就是说导体的电流方向发生改变。这时磁场极向也就改变了，可是磁场的磁倾角是不会改变的。极向和倾角同时改变的情况就只有到导电体的反向磁场相对位置中去找。地球岩石的翻转剩磁可以说都是在地电流层之下形成的，所以它们的磁场极向和磁倾角都发生了改变。有人会问，地球磁场在几十亿年的进化中到底发生过翻转吗？解决这个问题，这就只能到剩余磁性的资料里去翻看了，要是发现有磁场极向改变而磁倾角不变地层，这说明会有地磁场翻转的情况发生。可是地球磁场从来就没有翻转过。地球生物都是在地球表面和水中进化的，所以地球生物从来就没有在逆向磁场中生存过。这样地球生物演化的表现也就没有逆向磁场的生物特征留存。麦克斯韦方程反推地球电场和岩石剩余磁场唯一解释都说明，地球电磁场的电流是在地壳中流动着，但是我们为什么很少能感觉到这个地电流的存在呢？这主要是因为电流在地壳导体场流动时，它有一个最小电阻路径原理。因为地球是圆的，所以地电流不会表现到地球表面上来。地球的演化、乃至太阳系的演化是一个恒定变化的过程，在其中很少会有突发事件发生。行星的磁场如果发生翻转，那可以说是突发事件引诱的，这种突发事件在太阳里我们无法找到它的诱发点。地球磁场也从来就没有翻转过。
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述　　地球磁场言是偶极型的，近似于把一个磁铁棒放到地球中心，使它的N极大体上对着南极而产生的磁场形状。当然，地球中心并没有磁铁棒，而是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。　　地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是电离氢和电离氦。　　因为太阳风是一种等离子体，所以它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。　　地球磁层位于地面600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。　　1967年发现，在中性片两侧约10个地球半径的范围里，充满了密度较大的等离子体，这一区域称作等离子体片。当太阳活动剧烈时，等离子片中的高能粒子增多，并且快速地沿磁力线向地球极区沉降，于是便出现了千姿百态、绚丽多彩的极光。由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为3～4个地球半径。　　　　地球磁层是一个颇为复杂的问题，其中的物理机制有待于深入研究。磁层这一概念近来已从地球扩展到其他行星。甚至有人认为中子星和活动星系核也具有磁层特征。[编辑本段]形成原因　　通常物质所带的正电和负电是相等数量的，但由于地球核心物质受到的压力较大，温度也较高，约6000°C，内部有大量的铁磁质元素，物质变成带电量不等的离子体，即原子中的电子克服原子核的引力，变成自由电子，加上由于地核中物质受着巨大的压力作用，自由电子趋于朝压力较低的地幔，使地核处于带正电状态，地幔附近处于带负电状态，情况就象是一个巨大的“原子”。 　　科学家相信，由于地核的体积极大，温度和压力又相对较高，使地层的导电率极高，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。另外，电子的分布位置并不是固定不变的，并会因许多的因素影响下会发生变化，再加上太阳和月亮 的引力作用，地核的自转与地壳和地幔并不同步，这会产生一强大的交变电磁场，地球磁场的南北磁极因而发生一种低速运动，造成地球的南北磁极翻转。 　　太阳和木星亦具有很强的磁场，其中木星的磁场强度是地球磁场的20至40倍。太阳和木星上的元素主要是氢和少量的氦、氧等这类较轻的元素，与地球不同，其内部并没有大量的铁磁质元素，那么，太阳和 木星的磁场为何比地球还强呢？木星内部的温度约为30000°C左右，压力也比地球内部高的多，太阳内部的 压力、温度还要更高。这使太阳和木星内部产生更加广阔的电子壳层，再加上木星的自转速度较快，其自 转一周的时间约10小时，故此其磁场强度自然也要比地球高的强。 　　事实上，如果天体的内部温度够高，则天体的磁场强度与其内部是否含有铁、钴、镍等铁磁质元素无关。由于太阳、木星内部的压力、温度远高于地球，因此，太阳、木星上的磁场要比地球磁场强的多。而火星、水星的磁 场比地球磁场弱，则说明火星、水星内部的压力、温度远低于地球。 　　关于地球磁场的形成原因，一种关于地球磁场成因的假说认为：地球磁场的形成原因和其它行星的磁场的形成原因是类似的，地球或其它行星由于某种原因而带上了电荷或者导致各个圈层间电荷分布不均匀。这些电荷由于随行星的自转而做圆周运动，由于运动的电荷就是电流，电流必然产生磁场。这个产生的磁场就是行星的磁场，地球的磁场也是类似的原因产生的。这个假说和各个行星磁场的有无和强弱现象符合的非常完美。[编辑本段]发现　　历史上，第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600年提出一种论点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。 　　1893年，数学家高斯在他的著作《地磁力的绝对强度》中，从地磁成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法，从而使地磁场的测量和起源研究都可以用数学理论来表示。但这仅仅是一种形式上的理论，并没有从本质上阐明地磁场的起源。 　　现在科学家们已基本掌握了地磁场的分布与变化规律，但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。 　　目前，关于地磁场起源的假说归纳起来可分为两大类，第一类假说是以现有的物理学理论为依据；第二类假说则独辟蹊径，认为对于地球这样一个宇宙物体，存在着不同于现有已知理论的特殊规律。 　　属于第一类假说的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷，一种分布在地球内部，另一种分布在地球表面，电荷随地球旋转，因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系解释地磁场的成因。但是，这个假说却有一个致命缺点，首先它不能解释地球内外的电荷是如何分离的；其次，地球负载的电荷并不多，由它产生的磁场是很微弱的，根据计算，如果要想得到地磁场这样的磁场强度，地球的电荷储量需要扩大1亿倍才行，理论计算和实际情况出入很大。　　以地核为前提条件的地磁场假说也属于第一类假说，弗兰克在这类假说中提出了发电机效应理论。他认为地核中电流的形成，应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时，通过感应的方式而发生的。同时，电流自身形式的场就是连续不断的再生磁场，好像发电机中的情形一样。弗兰克所建立的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程，解释了地磁场有一定的数值。但是在应用这种模型的时候，却很难解释地核中的这种电路是怎样通过圆形回路而闭合的。此外，这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用，而这种反作用是不允许涡旋分布于平行赤道面的平面内的。 　　属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等，但这些假说都不能全面地解释地磁场的奇异特性。 　　关于地磁场起源还有第二类假说，这其中最具代表性的就是重物旋转假说。 　　1947年，布莱克特提出任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为，地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的，也就是说星体自然生磁，就好像电荷转动能产生磁场一样。但是，这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下，还没有观察到旋转物体产生的磁效应。而对天体的观测结果表明，每个星球的磁场分布状况都很复杂，尚不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的依存关系。 　　因此上说，关于地磁场的起源问题，学术界仍处在探索与争鸣之中，尚没有一个具有相当说服力的理论，对地磁场的成因作出解释。[编辑本段]分布与变化规律　　地磁场的形成具有一定特殊性，按照旋转质量场假说，地球在自转过程中产生磁场。但是，从运动相对性的观点考虑，居住在地球上的人是不应该感受到地磁场的，因为人静止于地球表面，随地球一同转动，所以地球上的人是无法感觉到地球自转产生的磁场效应的。 　　通常所说的地磁场只能算作地球表面磁场，并不是地球的全球性磁场（又称空间磁场），它是由地核旋转形成的。地球的内部结构可分为地壳、地幔和地核。美国科学家在试验中发现，地球内外的自转速度是不一样的，地核的自转速度大于地壳的自转速度。也就是说，地球表面的人虽然感觉不到地球的自转，但却能感觉到地核旋转所产生的质量场效应，就是它产生了地球的表面磁场。科学家在研究中还发现，地核的自转轴与地球的自转轴不在一条直线上，所以由地核旋转形成的地磁场两极与地理两极并不重合，这就是地磁场磁偏角的形成原因。 　　科学家们在对地磁场的研究中发现，地磁场是变化的，不仅强度不恒定，而且磁极也在发生变化，每隔一段时间就要发生一次磁极倒转现象。 　　早在二十世纪初，法国科学家布律内就发现，70万年前地磁场曾发生过倒转。1928年，日本科学家松山基范也得出了同样的研究结果。第二次世界大战后，随着古地磁研究的迅速发展，人们获得了越来越多的地磁场倒转证据。如岩浆在冷却凝固成岩石时，会受到地磁场的磁化而保留着像磁铁一样的磁性，其磁场方向和成岩时的地磁场方向一致。科学家在研究中发现，有些岩石的磁场方向与现代地磁场方向相同，而有些岩石的磁场方向与现代地磁场方向正好相反。科学工作者通过陆上岩石和海底沉积物的磁力测定，及洋底磁异常条带的分析终于发现，在过去的7600万年间，地球曾发生过171次磁极倒转。距今最近的一次发生在70万年前，正如布律内所指出的那样。[编辑本段]倒转原因　　根据地磁场起源理论，地磁场磁极之所以发生倒转，是由地核自转角速度发生变化而引起的。地壳和地核的自转速度是不同步的，现阶段地核的自转速度大于地壳的自转速度。然而，40亿年前，情况却不是这样，那时地球表面呈熔融状态，月球也刚刚被俘获，地球从里到外的自转速度是一致的，地球表面不存在磁场。但是，随着地球向月球传输角动量，地球的自转角速度越来越小。同时，地球也渐渐形成了地壳、地幔和地核三层结构。地球自转角动量的变化首先反映在地壳上，出现了地壳自转速度小于地核自转速度的情形。这时，在地球表面第一次可以感受到磁场的存在，地核以大于地壳的自转速度形成了地磁场。按照左手定则，磁场的N极在地理南极附近，磁场的S极在地理北极附近。地壳与地核自转角速度不同步，这种情形并不能长久地保持下去，地核必然通过地幔软流层物质向地壳传输角动量，其结果是地核的自转角速度逐渐减小，地壳的自转角速度逐渐增大。当地壳与地核的自转角速度此增彼减而最终一致时，地磁场就会在地球表面消失。地核与地壳间的角动量传输并不会到此为止，在惯性的作用下，地壳的自转角速度还在继续增大，地核的自转角速度继续减小，于是出现了地壳自转角速度大于地核自转角速度的情形。这时，在地球表面就会感受到来自地核逆地球自转方向的旋转质量场效应。按照左手定则判断，新形成的地磁场的N极在地理北极附近，S极在地理南极附近。从较长的时期看，整个地球的自转速度处在减速状态，但地壳与地核间的相对速度却是呈周期性变化的，这就是每隔一段时间地球磁场就要发生一次倒转的原因。 　　据测定，地磁场发生倒转前有明显的预兆，地球的磁场强度减弱直至为零，随后，约需一万年的光景，磁场强度才缓缓恢复，但是，磁场方向却完全相反。目前，地球磁场强度有逐渐减弱的趋势，在过去的4000年中，北美洲的磁场强度已减弱了50%，这说明地核相对地壳的速度差正在缩小。 　　值得说明的是，无论地球表面测得的地磁场方向如何发生变化，但是，在太空中地磁场的方向却始终是不变的。因为在太空中测得的地磁场，是整个地球自转产生的旋转质量场效应，并不会因为地壳与地核相对速度的改变而发生变化。根据左手定则，在太空中测得的地磁场的N方向始终在地理南极上空。 　　在电磁感应效应中，通电导体产生的磁场强度与电流强度成正比，即与导体内“定向移动”的自由电子数目成正比。而每个电子的自旋角动量又是恒定的，所以磁场强度实际上是与所有电子的自旋角动量之和成正比。同理，宏观物体产生的磁场强度，也应与旋转质量场的角动量成正比，即与物体的质量和自旋角速度成正比，与质量场的旋转半径（观测点到物体质心的距离）成反比。用公式表示为： 　　H = f mω/r = f 0 m / T r (f 0为常数，T为自转周期，r为旋转质量场半径) 　　根据这一公式，在地球表面测得的磁场强度H，只与地核的质量成正比，角速度ω的取值为地壳与地核自转角速度之差，r为地球的半径（地磁场强度为5×10-5特斯拉）。而地球在太空中形成的空间磁场，其磁场强度与整个地球的质量成正比，与地球的自转角速度成正比（近似值），与观测点到地球中心的距离成反比。因此，在近地球的宇宙空间，地球所形成的空间磁场强度大于地表的磁场强度。空间磁场的最大特点是磁极恒定，不会像地球表面磁场那样发生磁极倒转现象。[编辑本段]特性　　　　地球的磁性, 是地球内部的物理性质之一。地球是一个大磁体, 在其周围形成磁场, 即表现出磁力作用的空间, 称作地磁场。它和一个置于地心的磁偶极子的磁场很近似, 这是地磁场的最基本特性。地磁场强度很弱, 这是地磁场的另一特性, 在最强的两极其强度不到10-4(T), 平均强度约为0.6x10-4(T), 而它随地点或时间的变化就更小, 因此常用(γ), 即10 -9(T)做为磁场强度单位。 　　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(公元1900年，简写作1900)，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)，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)，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)，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()，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)，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)，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)，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)，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。 　　(12)自由电子旋转说，是唯一中国人根据分子、原子学，结合地震波提供的地球深处高清图像提出的学说。　　地震产生的内部深层波动往往会在地核和地幔的介面上产生反射，反射波在传递到地表的过程中，如果碰到地下构造，就会发出微弱的信号。通过上千次地震得到的信号记录以及1000多次的地震观测，这支由MIT地球、大气与行星学系(EAPS)教授RobvanderHilst领导的地球学家和矿物学家组成的跨学科小组得到了中北美洲高清晰度深层地球结构图，从结构图看地球外核是液体。　　我们知道物质是由分子原子组成的，原子由原子核和电子组成。 　　火山爆发使我们知道地球内部是一个高温世界。19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点”。按照“居里点”的的结论地球内部不能有一个永磁体。 　　按照物理学研究的结果，高温,高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸，所以地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，在内核与地幔间会形成一个汽液态的充满自由电子的负电球层（液体外核）。 　　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。所以，要形成地球磁场必须有电子移动。我们知道，一个线圈通上直流电，那么线圈周围有一个直流电磁场（通上交流点，就是一个交流电磁场），这个磁场就是电子在线圈中移动的结果。　　地球的磁场就象一个螺线管通直流电的直流电磁场。地球内部的高温、高压，使地球内核物质逸出电子而强金属化，不易流动，呈固体状态。地球内核逸出的大量电子集中在相对内核压力小、温度低的液体外核球层，外核球层由于得到大量自由电子而呈非金属状的汽液态。大量的自由电子随地球自转象电子在线圈运动相仿，所以是液体外核自转在宇宙空间建立了一个强大的磁场。 　　地球自转，使液体外核呈现一个扁球体，地球倾斜自转也可以认为天体引力倾斜。倾斜的力使液体外核赤道面亦倾斜。液体外核的赤道面，既受内核自转控制，又受天体引力拖拽，使其自转惯性改变方向，进而导致磁极既不与地球自转轴重合又不与黄道面垂直，处于两者兼顾状态，事实也正是如此。
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地球磁场跟地球引力场一样,是一个地球物理场,它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的.基本磁场是地磁场的主要部分,起源于地球内部,比较稳定,变化非常缓慢.变化磁场包括地磁场的各种短期变化,与电离层的变化和太阳活动等 有关,并且很微弱.地磁场也是一个向量场.描述空间某一点地磁场的强度和方向,需要3个独立的地磁要素.常用的地磁要素有7个,即地磁场总强度f,水平强度h,垂直强度z,x和y分别为h的北向和东向分量,d和i分别为磁偏角和磁倾角.自从高斯(gauss)把球谐分析方法引进地磁学,建立地磁场的数学描述以来,地磁学得到了极大的发展.目前,地磁模型包括全球的和局部地区的两种. 它就是到目前为止iaga的有关小组每5年给出一个世界地磁参考场(igrf).全球地磁场模型:在球极坐标系中,拉普拉斯方程的通解为: _ 在高斯分析中是根据内边界上的函数值及其法向变化率来确定高斯系数(g,h)的. 局部磁场模型 局部地区的地磁场模型方面的学术问题与全球的有所不同,局部地区的地磁场模型不能采用球谐分析方法因为没有&三维&意义 地磁场模型与地磁图是了解研究地磁场空间分布与时间变化规律,及其源的特征与变化的基础.因此,也是了解 地球及有关的动力学过程的重要手段.地磁场模型的科学价值:经过多年研究分析,俄罗斯科学院医学基因研究中心地磁,电离层和无线电波扩散研究所的科研人员提出,地磁场的变化可导致人体淋巴染色体的畸变,使畸变的频率提高两倍. 地磁场的其他应用:通过实验,科研人员得出结论,磁场变化的速度而不是磁场的绝对量影响染色体畸变的频率和细胞分裂过程中物质的交换,在一定范围内,地磁场的变化甚至影响dna的合成. 据现代科学证明,地磁(气场)对人体有很大的影响:如果人体长期顺着地磁的南北方向可使人体器官细胞有序化,产生生物磁化效应,使生物电得到加强,器官机能得到调整和增进,从而起到了良好的作用.在地球南北两极附近地区的高空,夜间常会出现灿烂美丽的光辉.有时它像一条彩带,有时它像一团火焰,有时它又像一张五光十色的巨大银幕.它轻盈地飘荡,同时忽暗忽明,发出红的,蓝的,绿的,紫的光芒.静寂的极地由于它的出现骤然显得富有生气.这种壮丽动人的景象就叫做极光.产生极光的原因是来自大气外的高能粒子(电子和质子)撞击高层大气中的原子的作用.这种相互作用常发生在地球磁极周围区域.现在所知,作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时,被地球磁场俘获,并使其朝向磁极下落.它们与氧和氮的原子碰撞,击走电子,使之成为激发态的离子,这些离子发射不同波长的辐射,产生出红,绿或蓝等色的极光特征色彩.在太阳活动盛期,极光有时会延伸到中纬度地带,极光有发光的帷幕状,弧状,带状和射线状等多种形状.发光均匀的弧状极光是最稳定的外形,有时能存留几个小时而看不出明显变化.然而,大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化.弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显.极光最后都朝地极方向退去,辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区.造成极光动态变化的机制尚示完全明了. 在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中,有一种能量被称为&太阳风&.这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流,该太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场,磁场使该颗粒流偏向地磁极,从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应,形成极光. 地球的磁场还在不断发生变化,其变化方式也在发生变化.不同地方的磁场方向和强度均以不同的方式发生变化,可能变小,也可能南北极发生大翻转 .由于地球磁场的复杂性,要预计它在遥远的将来会是什么样子是不可能的.地球物理学家们利用分布在世界许多地方的磁场观测点收集的数据,通过数学模型分析出磁场将如何变化. 地球磁场不是孤立的,它受到外界扰动的影响,地球磁层是一个颇为复杂的问题,其中的物理机制有待于深入研究。参考文献：《地磁场初探》 付星辉 孙茂徐
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地球磁场没有翻转 不会消失当居里告诉人们，永磁不耐高温时。人们开始意识到地球磁场就应该是一个电磁场。电磁场遵循麦克斯韦方程原理，所以在地球里面一定有电流在流动。依据我们测得的地球磁场形态反推地球电场，地球电场电流的最大处应该在赤道切面的平面上。当代地磁场理论认为，这个电流是在地核赤道上流动的（地核发电机原理），它的动力源于地球层之间的自转差。实际上这是一些很不切实际的想法，地球的较差自转本身就不是一个加速度，它不会有能量产生。赤道环电流形成地磁场，电流在地核上要比在地壳上须要更强大的动力，它是在级数上差别的能量级。所以根本上说地球内部就不会有这麽大的能量产生。科学的进步使人们知道，对自己周围的环境数量化很是重要。二十世纪人类开始测量各地岩石的剩余磁场，它可以表明岩石形成时地球磁场的许多参数。测量的结果令人震惊，有许多的岩石剩余磁场颠倒了。颠倒的剩磁是当时主要想解释的矛盾，经过很长时间思考，没有更好的解释，只好是说地磁场翻转了。可是岩石剩磁场不仅是颠倒，而且由下倾变为向上翘，这在当时科学界没太多地注意这个问题。这只是一个空间概念问题的思考，实际上地球磁场从来就没有翻转过。我们可以想象，在你面前横放着一个导电体，流经它的电流就可以在导体周围产生一个磁场，你可以把在你这边的磁场定义为正向磁场，那么在导体的另一边对你这面来说就是一个反向磁场。你面对的正向磁场某个点上，有它的场强、极向和倾角。在磁场发生翻转时，也就是说导体的电流方向发生改变。这时磁场极向也就改变了，可是磁场的磁倾角是不会改变的。极向和倾角同时改变的情况就只有到导电体的反向磁场相对位置中去找。地球岩石的翻转剩磁可以说都是在地电流层之下形成的，所以它们的磁场极向和磁倾角都发生了改变。有人会问，地球磁场在几十亿年的进化中到底发生过翻转吗？解决这个问题，这就只能到剩余磁性的资料里去翻看了，要是发现有磁场极向改变而磁倾角不变地层，这说明会有地磁场翻转的情况发生。可是地球磁场从来就没有翻转过。地球生物都是在地球表面和水中进化的，所以地球生物从来就没有在逆向磁场中生存过。这样地球生物演化的表现也就没有逆向磁场的生物特征留存。麦克斯韦方程反推地球电场和岩石剩余磁场唯一解释都说明，地球电磁场的电流是在地壳中流动着，但是我们为什么很少能感觉到这个地电流的存在呢？这主要是因为电流在地壳导体场流动时，它有一个最小电阻路径原理。因为地球是圆的，所以地电流不会表现到地球表面上来。地球的演化、乃至太阳系的演化是一个恒定变化的过程，在其中很少会有突发事件发生。行星的磁场如果发生翻转，那可以说是突发事件引诱的，这种突发事件在太阳里我们无法找到它的诱发点。地球磁场也从来就没有翻转过。
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