《地磁场的结构和作用.docVIP

地磁场的结构和作用 地磁场是每时每刻都陪伴在我们身边的存在，从小学《科学》课程里第一次尝试用小磁针制作简易的指南针开始，我们就开始了对地磁场的好奇心。相比于一些抽象遥远的科学知识，对于生活在地球上的我们，地磁场似乎要亲切易感的多，但是，千百年来，尽管人们的探索从未停止，关于地磁场的秘密却并未全部揭开它的神秘面纱。对于我们来说，地磁场有着太多吸引人的魅力，它是如何产生的；它有着怎样的结构，怎样的特点；它的作用是什么……地磁场的奥妙众多，在接下来的文章里我们将就“地磁场的结构和作用”展开深入的研究说明。 地磁场的结构 归根结底，地磁场的本质还是磁场，所以，它必然有着 磁场都具有的一些体征结构，比如，它也是N，S两个磁极，在地磁场中也有着符合磁极位置规律存在的有向磁场，可以用磁感线描述。从外部基础特征来看，地球就像一个巨大的天然磁体，它的磁场与条形磁体的磁场极为相似（加图）。地磁场可视为一个磁偶极，其中一极（S）处在地理的北极附近，另一极（N）处在地理的南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜角。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引。地球磁圈在白昼区（向日面）受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球的黑夜区（被日面）则向外伸出（加图），这些都是地磁场的一些外现的结构特征。 前文提到过，地磁场也具有普通磁场的结构特征，于是，磁场的磁极是以什么形式存在的，是如何能够对外表现以上特征的，这些问题就是接下来的课题了。那么，再进一步探究其更深层次的结构前，就不得不先就另一个问题进行说明，那就是：地磁场是如何产生的。 关于地磁场的成因至今还没有定论，但是较重要的说法有三种：铁磁体假说、热电假说和双圆盘发电机假说。 首先，铁磁体假说。由于地核基本上是由铁磁体（铁和镍）所组成的，基本依据就是地核的这种特有成分及其球状对称的形态。按照此假说，地核因其组成而自然成为一个磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特征的磁场。但是，众所周知的，地核内的平均温度很高，远远超过了任一种铁磁性物体的居里点，所有的铁磁性体都将在这一温度下转变成顺磁性体，从而丧失其磁性。因此铁磁体假说是不成立的 然后，热电假说。该假说首先考虑到地磁要素具有快速变化的特点（比如向西漂移的周期不超过2000年），肯定了地磁场与地壳和地幔无关的推断。这是因为，地壳和地幔主要是呈固态的，这就决定了其中的各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十或几百年尺度的明显变化。与之相对的，外地核是处于液态的，它所具有的流动特征使之能够快速反应外部的激励和变化，从而能够和地磁场的短尺度变化相吻合。从这出发，热电假说提出地磁场具有电性。并通过计算得出，要形成今天的地磁场，需要约109A的电流强度。而要在地核中形成电流，必须借助于外核物质的热对流而在边界处产生电流，并进而因此产生磁场，也就是“热电效应”。热电假说克服了居里点造成的困难，却产生了新的问题，那就是这种机制难以形成具有偶极特征的磁场，并且，、这种机制是否能产生足够强大的电流以形成地磁场，也没有得到确切的证实。 最后就是：双圆盘发电机假说。这也是目前为止获得最多支持的假说。（图）　 当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流I1和I2。这两种电流形成磁场而极性相反，其强度会明显地超过外部附加的初始磁场的强度。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转。根据这种双圆盘发电机假说，在地核中这两种方向相反的电流，可由液态的外核物质的热对流（混合作用）产生，这种对流可以引起液态地核表层旋转出现某种减慢（相对于地幔底面而言），引起外核表层减慢的层位中产生的磁场异常向西位移。这为地磁场的西向漂移提供了动力学解释。 发电机模式的作用原理是以自激为前提的，它可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种特点。但这并不意味着地磁场的成因问题已经彻底解决了。问题出在发电机假说是以假设外地核中有热对流存在为基础的，后者又基于地核对地震横波的屏蔽能力——外核呈液态——的推断。但无论是外核的液态还是其中的热对流，至今都不是科学上经过证实的事实。此外，问题不仅涉及到地磁场的成因，也涉及到磁铁相互作用的理论。因此，严格地说，最后解决地磁场的起因问题还需进一步努力。 关于成因的问题讨论到这里，虽然我们并没有得到一个足够科学的确实解释，但是基于此转开的对于地磁场机构的了解还是得到了一些的。 以可能性最高的第三种假说，也就是双圆发动机盘假说为例。如果双圆盘发动机假说是成立的，那么我们可以猜测出地磁场结构中的核心部位——磁体，是由于液态外和表面上的对流流动，导致封闭的螺旋式环形电场的形成（图）。也就是说，地磁体的磁体其实是由电流的作用而形成的，类似