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地球物理知识十讲-----第八讲 神秘磁力(地球磁场)
【时间:2017年11月24日】 【字号:

    磁石(又称吸铁石)吸引铁片,犹如慈母爱抚子女,故早期称之为慈石,以表其情意。以后,不知为什么去掉了这个颇带人情味的“心”,而代之以左偏旁的“石”,才有今日之“磁石”。

    古人将磁针悬挂,可指向南北。后又知道,磁针不正指南北而略偏东西。这就是指南特性和磁偏特性。对此现象,古人并不理解,而归之于磁石的某种“神秘”力量。

        磁石之所以具有指南特性,归根结底不在磁石自身,而是地球磁场与磁石的相互作用结果。对于地磁场的观测,除固定的台站进行连续记录,还有海上和高空的磁测量,以及由火箭和卫星进行观测等。通常记录磁场的垂直分量Z、水平分量H和磁偏角D或磁倾角I。它们通称为地磁要素。

        地磁场的分布很有规律。磁倾角等于零的地方构成磁赤道,磁倾角等于90°的地方构成磁极(南北磁极)。地磁极的位置与地理极的位置并不重合,这是造成有磁偏角的原因。

        地球磁场有三个明显特点,第一,地磁场的主要成分(约占80%),由偶极场提供。由于这一点,早期的地磁学工作者误认为地球是一个大磁体,实际上是由于地球内部高温,深部岩石并不存在磁性造成的。第二,非偶极场的变化中心随时间有一个向西移动的趋势,习惯上称为“西向漂移”,人们对此有不同解释。一种看法认为,由于地核内部存在径向流动,根据角动量守恒定律,上升物质为保持原角动量数值而增加转速,从而形成外核与内核的转动速度差别。因为外核是地磁场源,外核转速较内核慢,从而导致主磁场向西移动。第三,地磁场的总强度是比较弱的,其大小相当于一个马蹄玩具磁铁的强度,但是由于它分布在如此巨大的地球上,因而形成一道天然屏障,屏蔽着外空射向地球的高能带电粒子和宇宙射线,并且将这些捕获的大量质子、电子等构成内外辐射带。这两个辐射带在几万公里高空,它们受太阳活动影响,又造成地磁场的急剧变化(如磁暴等)。

        据古地磁学研究,在地质年代,地球上的物体都受磁场的作用,有些高温下岩石(如地下涌出之岩浆)会发生磁化,取得与磁场方向相一致的磁性。当岩石逐渐冷却时,这种磁性部分保留下来,从而构成岩石的热剩磁。如果再通过放射性方法测定年龄,那么就可以得到不同地质年代的磁场方向变化,从而为人们展示一幅磁场方向的变化历史。研究结果表明,地球在历史上曾多次发生磁场方向变化,即地磁南北极对调,其变化的时间可以从几十万年到几百万年。

        目前,对于地球的“神秘磁力”的研究,显然取得了很大进展,但是其中不少问题还处于推测或假说阶段,有许多秘密有待揭示。


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