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地磁场成因假说及模型简介

发布时间:2019-06-22 13:02 来源:未知 编辑:admin

  自然界中的四种基本力是万有引力,电磁力,强和弱相互作用力。其中电磁力既是广为人知又得以广泛应用的。但其所内蕴的许多科学奥秘至今仍未被揭示,同时层出不穷的发现和应用也在不断深化和改变着人们对磁现象的认识。囿于个人知识结构,本文仅对有关地磁场的主要特点及成因机制的研究做一简单介绍。

  关于地磁场作用最早的文字见于我国的战国时代,自管仲(——公元前650年)开始,在中国古代典籍中就出现过多次关于磁铁的记载。最早的指南针也是我国在秦朝时发明的,但惜乎后来并未能更进一步,而仅止于风水勘舆。迄今为止,关于地磁场的讨论和科普多有谬误和以讹传讹,甚至在一些专业的磁物理学教材中,关于地磁场的介绍也存在不当之处,反映出不同领域之间的认识鸿沟仍然不可小视。

  最早的地磁场概念是十七世纪初时一位法国的宫廷医生、英国人吉尔伯特提出的。吉尔伯特在1600年提出地球是一个巨大的天然磁性体,它的两极和地理两极相重合。这一提法首次指出了地磁场的起因在地球自身,但对于地磁场的起源问题,当时并没有找到一个令所有人满意的答案。直至到现在为止,关于地磁场研究仍然处于假说和推断状态,并且存在着一个极为异乎寻常的特点,即:能够发现其存在的并可以引起磁现象的地球事物,在理论上都不足以支撑地磁场的发生;而能够满足理论分析的合理的成因机制,在地球自身却找不到真实存在的事实依据。本文选取其中有代表性的几种假说和模型分述如下:

  由于地核基本上是由铁磁体(铁和镍)所组成的,地核的这种特有成分及其球状对称的形态是铁磁体假说的基本依据。这一假说与吉尔伯特的设想不谋而合。按照这一假说,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子特征的磁场。但这一假说面临着一个无法解释的困难,即地核内的平均温度远远超过了任一种铁磁性物体的居里点,达到6000摄氏度以上。所有的铁磁性体在这一温度下都必将转变成顺磁性体而丧失其磁性。因此由地核的金属成分而自然形成地磁场的可能性不大。

  这一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过程无关的推断。这是因为,地壳和地幔主要呈固态的特征,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。但地球外核为液态,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。从这一点出发,热电假说提出地磁场具有电性。但要形成今天的地磁场,需要约109安培的电流强度(可以把地球上的生物——包括人类——全部杀死)。而要在地核中形成电流,必须借助于热电效应,即:由于外核物质的热对流而在边界处产生电流,并进而产生磁场。热电假说虽然克服了居里点造成的困难,却产生了新的问题,即这种机制难以形成具有偶极特征的磁场,并且至今也未能获得确切的证据,以证明这种机制能产生足够强大的电流并形成地磁场。

  这一假说认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离,自由电子在这一电场中运动而产生电流和感应磁场。但即使在理论上作了最大限度的假设后,计算出的这种磁场也仅有可能达到真实地磁场强度的千分之一以下。

  根据物理学中的旋磁效应原理,此假说提出地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场。但计算结果表明,即使把地球内部所有的强磁性物质全部加起来,由此种效应产生的磁场也只有不到地磁场强度的千亿分之一。

  认为地球内部的放射性物质产生的热量可使熔融物质发生连续的不均匀对流,由此产生温差电动势和电流,再由此电流产生地球磁场。这也是群内引用的“牧夫天文”报道中提到的关于月球磁场的成因依据。但考虑到地球内部的物质分布不均及物质的物态,据此所做的估算结果在理论上是根本无法产生永久性整体地磁场的。我个人也怀疑月球能否由此产生所谓的永久性整体磁场。

  日本地球物理学家力武常次(1946-1947)提出在地球内部存在着类似“双轴发电机”的磁场产生效应。导电液体在流动时产生稳恒的电流,由该电流产生地球磁场。双轴发电机模型在理论上是无懈可击的,因此得到较多地学家的认同,也是目前研究和应用最多的地磁场假说。但地球内部并没有真实存在的“双轴”,下文将会进行重点介绍。

  固体地球是一个磁性球体,有自身的磁场。根据地磁力线的特征来看,地球外磁场类似于偶极子磁场、即无限小基本磁铁的特征(图1a)。但其磁轴与地球自转轴并不重合,而是呈11.5°的偏离。地磁极的位置也不是固定的,它逐年发生一定的变化。例如磁北极的位置,1961年在74°54’N,101W,位于北格陵兰附近地区,1975年已漂移到了76.06°N,100°W的位置。

  将地磁场比作偶极子磁场的说法中,隐涵着地磁场是永久不变的这一假定。但实际上不仅磁极在不断发生摆动,从发现地磁场以来,人们还逐渐发现了磁偏角在几十到几百年的时间内,大致沿着纬线方向平稳地向西移动,这一性质被称作地磁场的向西漂移。地磁场漂移速率可以达到约每年0.18°,绕地球一圈大致需要1800年的时间。除了地磁场的这种较长期的变化外,地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化,取决于地球表面相对于太阳位置的昼夜变化。在一天之内,地球表面的磁极所发生的位移因此可达其平均位置的100km。由于地磁场的这种昼夜变化,磁极在地球的球面上往往不是用一个固定的点来表示,而是用一个圆圈来代表其所在的空间范围。

  地磁力线分布的空间称作地磁场,磁力线的分布情况可由磁针的理想空间状态表现出来(图1b)。由磁针指示的磁南极和磁北极,为磁子午线方向,其与地理子午线之间的夹角称磁偏角(β)。磁针在地磁赤道上呈水平状态,由赤道向地球南极或向北极移动的过程中,磁针都会连续地发生倾斜,其与水平面之间的夹角称作磁倾角(θ)。磁倾角的大小随纬度增加,到磁南极和磁北极时,磁针都会竖立起来。地磁场在地球科学中一般以代号F表示,强度单位为(A/m)。地磁场强度是一个矢量,可以分解为水平分量H和垂直分量Z。地磁场的状态则可用磁场强度F,磁偏角β和磁倾角θ这三个要素来确定。

  地磁场的偶极特征也取决于磁力线从一个磁极到另一个磁极的闭合特征。在地球表层,这一闭合结构形成了一个磁扑获系统,扑获了大气圈上层形成的带电粒子而构成一个环绕地球的宇宙射线带,称作范艾伦带。范艾伦带的影响范围可达地面65000km以上。由大气层上部约100—150km处气体发光而形成的极光,就是范艾伦带中的气体分子受电磁扰动的产物。沿着范艾伦带,极光可以在不到1秒钟的时间内从一个受扰动的极区于瞬间传到另一个扰动极区,因此极光的爆发在地球上的北极区和南极区几乎是同时发生的。

  磁暴是一种急剧的地磁场变化现象,也是一种危害性很大的灾害性自然现象。在发生磁暴时,不仅地磁场要素会发生激烈的跳跃式变化,还会使电力线受到破坏、通信线路和信号中断、变压设备发生故障、绝缘电缆被击穿等。一般认为,磁暴是受太阳活动所引起。但在发生磁暴时,感应的环形电流不仅出现在电离层中,也会出现在地球内部。在磁暴的影响下,地球内部出于现的这种深部电流,称作大地电流。大地电流可以被用于研究地球内部的各种相关物理特征。如岩石圈各层的导电率及地内的压力和温度等。

  地磁异常在世界范围内选择若干个地磁测站,测量该处的地磁要素数据,然后推算出世界各地的基本地磁场数据,并以此作为地磁场的正常(理论)值。在实际工作中,会发现某地区实测地磁场要素的数据与正常值有显著的差别,这种现象称作地磁异常。如果差值为正,称正异常;差值为负称负异常。一般情况下,正异常多是由于地下赋存着高磁场性的矿物或岩石,如磁铁矿,镍铁矿和超基性岩类等引起。负异常则多由地下赋存的石油,盐矿,铜矿和花岗岩等低磁性或反磁性矿物或岩石引起。根据这种认识,利用地磁异常来寻找地下矿产和了解地球和其它天体深部地质构造等情况的方法,称为磁法勘探。这种方法不仅可以在地面上操作,还可以利用飞机和卫星等各种不同的飞行器在星体周围的高空进行。现在利用磁法进行研究的领域也在不断迅速扩张,从生命科学到材料科学的纳米尺度,直至深空探测领域的巨观尺度中,现在也都已经开始广泛采用磁法勘探的技术手段进行各种研究。

  地球磁场的成因至今没有最终的定论。在地球科学的发展过程中产生过各种猜测和假说,除了前述简介外,成为地球科学领域最重要共识的就是双圆盘发电机假说。

  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。这两种电流可形成感应磁场且极性相反,其强度会明显地超过外部附加的初始磁场强度。圆盘旋转频率的差异造成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减慢(相对于地幔底面而言),引起磁场异常向西位移。这为地磁场的西向漂移现象提供了理想的动力学解释。

  双圆盘发电机模式的作用原理是以自激感应为前提的,即液态外核表面上的对流流动,可以导致封闭的螺旋式环形电场的形成。尽管它可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种主要特点,但这并不意味着地磁场的成因问题已经彻底解决了。因为双圆盘发电机模式并非是基于地球内部确实存在着两个物理圆盘和双轴,而是以假设外核中有极其特殊的差异热对流存在为基础的,后者又是基于地核对地震横波的屏蔽能力——外核呈液态——的推断而非事实确证。因此,最后解决地磁场的起因问题还需要进一步的努力。

  现在地球磁场的强度约为M=81025cgs电磁单位。这一磁矩的大小每100年间约减少5%。按此趋势,在2000年后,地球的磁矩应变为零。然后地磁场有可能发生反转。在地球的磁场中,像这样存在着以数千年时间为周期的变化称为长期变化。前述的向西漂移就是地磁场的一种长期变化。与它们相反,前述地球的昼夜变化和磁暴等现象,都是短期甚至瞬时变化。

  磁场的存在会导致与之同时存在的岩石发生磁化,磁场的变化则会在磁化的岩石中留下记录。岩石磁化的方式则随岩浆岩、变质岩和沉积岩等岩石类型的不同而异。比如,火山岩从地下喷出时的温度是在磁性物质的居里点以上,随后在熔岩冷却的过程中,其中的磁性矿物必定会沿着当时、当地的磁场方向被磁化。这种当岩石冷却时所获得的磁性称为热剩磁。一般情况热剩磁是稳定的,在此后即使岩石所在地的外部磁场发生变化,也不会使热剩磁发生变化。

  由于具有不同的剩磁特征,岩石因此成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究,可以弄清楚岩石磁化时在当时磁场中的位置。在地学中将依据岩石磁性来研究地史时期地磁场的状态、磁极变化和大陆漂移的学科称为古地磁学。其原理和规律在天体的研究中也可以作相应的推广应用。

  古地磁研究在地球科学的板块构造理论的确定过程中起了关键的佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致的前提下,某地的磁倾角I可以由该点的纬度角来确定。

  如果大陆是固定不动的,从各大陆的古地磁学资料中就可以确定地球自转极随着时间流逝而发生的移动。从理论上讲,自转形成的磁极移动曲线只可能有一条,因此无论在哪个大陆上所确定的地球自转极移动曲线都应该一致。但实际上,不仅每个现代大陆计算的结果大不相同,同一大陆内部的不同地区也有明显的差异,这充分表明(只能)是因为各大陆曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致。

  地磁极不仅在地球演化的历史阶段曾发生过漂移,还出现过反转——即南、北极互相颠倒的现象。在距今大约100万年前以来的第四纪,地磁场的方向和现在完全相同。与之相应,这一时期称作地磁场的正向期(正向期的地磁极与地理极方位相反,即磁北极在地理南极附近,磁南极在地理北极附近)。但比其更早的时代,通过对岩石磁法研究的结果,发现其磁化方向与现代地磁场的方向相反,因此也称为反向期。正向期和反向期在地球历史上曾经交替出现,表明地史时期中有过多次地磁场反转事件。图3中记载了400万年以来的10次地磁场反向事件。对从距今8000万年以来的古地磁学研究发现,地磁场的反转大约平均每40万年就要发生一次。

  地磁场反转的机制可以用双盘发电机产生的偶极子型磁场进行合理解释:在由磁场产生电流的过程中,偶极子场一面保持同一方向,一面慢慢地减弱,直到偶极子的磁矩减少为零,随之产生反向的偶极子磁场。理论计算表明,地球磁场由一个方向变为另一种方向所需的时间大约为1万年左右。并且,可以用J/J0值——即岩浆岩的天然剩余磁化强度与岩石在现代地磁场中的热剩余磁化强度比值——来推算过去地磁场的强度。研究表明,在2000年前的古地磁场强度约为现代的1.5倍,此后磁场强度以每100年5%的比率单调地减小,并且还将在今后一段时间内持续下去,直至趁零和反转。

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