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來源: 大眾科技報
地球是一個巨大的磁體。地球磁場遍布于地球內(nèi)部、大氣層以及地球周圍的廣大空間。地球的磁性，是地球的一個重要物理屬性。地球磁場對于人類的生活和生產(chǎn)均產(chǎn)生著重要的影響和作用。隨著杜會的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對其生存環(huán)境的關(guān)注程度日益增加，在當(dāng)今日趨活躍的探索空間的活動中，人類對地球磁場的各種測試工作是一項重要的內(nèi)容。
地球的磁性是怎樣形成的
我們曾提出大氣運動產(chǎn)生地球磁場的理論，認(rèn)為地球磁場是地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果。地球磁場主要在大氣圈產(chǎn)生，而不是在地球內(nèi)部深處。
我們曾經(jīng)把大氣看成一個巨大的通電“螺線管”。這個巨大的“螺線管”上密布著定向的環(huán)形電流。正是這些環(huán)形電流形成了地球磁場。地球磁場的極性跟電流方向的關(guān)系，符合安培定則。我們還運用這一理論解釋了太陽風(fēng)暴到達地球時地球磁場的變化，以及地球的地理兩極跟地磁兩極不重合的自然現(xiàn)象。
當(dāng)時，有些人對我們的理論從不同的角度提出許多問題。對于這些疑問，我們已盡可能地作了回答。這里要說明的是，地球表面電荷隨同地球旋轉(zhuǎn)時也產(chǎn)生磁場，是我們在探討“地球磁場主要是由于大氣中的帶電粒子在隨同地球一起旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生”的問題時，需要加以考慮的一個因素。現(xiàn)在，再對地球內(nèi)部的磁核問題進行一些探討，并對地球磁極游蕩的現(xiàn)象和地球磁場倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象加以解釋。
關(guān)心地球磁場的人大多都知道，地球內(nèi)部磁場的磁場強度大于地球外部磁場的磁場強度。這一現(xiàn)象表明地球的磁場主要是集中在地球內(nèi)部，即地殼以下的深處，而且現(xiàn)在已經(jīng)證實，地球內(nèi)部確有磁核存在。
在人們尋找地球磁性起源的時候，地球磁場的這種分布情況，把人們的目光導(dǎo)向了地球的內(nèi)部。長期以來，許多人都深信，地球的磁場主要是在地球內(nèi)部深處產(chǎn)生的。于是，人們總是在地球內(nèi)部尋找地球磁性起源的答案，400年前，英國物理學(xué)家吉爾伯特提出地球是巨大磁體的理論；同時，他還提出地球的磁場主要是由地球內(nèi)部深處產(chǎn)生的。從那以后，為了說明地球的磁場，人們提出許多種解釋。這些解釋都不外乎在地球內(nèi)部深處進行的探討�，F(xiàn)代最有影響的地球磁性理論——埃爾薩塞和布拉德的發(fā)電機理論，也是在地球內(nèi)部深處進行探討的。當(dāng)人們證實了地球內(nèi)部確有磁核存在以后，似乎地球的磁性起源于地球內(nèi)部的深處，已經(jīng)是再也無須懷疑的事實。
長期以來，人們采用不同的研究方法來“探察”地球內(nèi)部深處，逐漸形成了地球內(nèi)部構(gòu)造的現(xiàn)代概念。地球內(nèi)部有個半徑大約為 3500公里的地核，地核由鐵鎳成分的熔融金屬組成，溫度達5000～6000攝氏度。地核具有很強的導(dǎo)電性。因此，用地球內(nèi)部的電流作用來解釋地球磁場產(chǎn)生的機制的理論便成為一種很有影響的理論。
地球內(nèi)部磁場的磁場強度大于地球外部磁場的磁場強度，以及地球內(nèi)部有磁核存在，是現(xiàn)在—般大都認(rèn)同的事實。問題是為什么地球的磁場主要集中在地球內(nèi)部？而地球內(nèi)部的磁核又是如何形成的呢？
任何物質(zhì)在磁場的作用下都能或多或少地被磁化，只不過是被磁化的程度不同。我們認(rèn)為是大氣的運動產(chǎn)生了磁場，而地球是處在大氣所產(chǎn)生的磁場中。在大氣磁場的作用下地球的內(nèi)部圈層被磁化。這樣，地球便成為了一個巨大的磁體。因此，地球磁場主要是由作為地球的外部圈層的大氣所產(chǎn)生的磁場，以及被大氣磁場磁化了的地球的內(nèi)部圈層所產(chǎn)生的磁場共同作用形成的。
由于地球內(nèi)部大量的物質(zhì)在大氣所產(chǎn)生的磁場的作用下慣性化，所以地球內(nèi)部的磁場強度很大。而地球內(nèi)部的磁核也是這樣在大氣所產(chǎn)生的磁場的作用下形成的。
地球磁場主要由地球的大氣圈產(chǎn)生，因而可把大氣看成一個巨大的“通電螺線管”。通電螺線管表現(xiàn)出來的磁性與條形磁鐵相似，它的一端相當(dāng)于北極，另一端相當(dāng)于南極。當(dāng)給螺線管內(nèi)插入鐵芯時，由于鐵芯被磁化，磁場就會大大增強。因此把螺線管套在鐵芯上，就構(gòu)成了一個電磁鐵，電磁鐵的磁性比螺線管的磁性強。
由此，在把大氣看成一個巨大的“通電螺線管”的同時，還可以把地球地殼表面以內(nèi)的部分（地球的內(nèi)部圈層），看成是插在這個巨大“通電螺線管”內(nèi)的“鐵芯”。由于這個“鐵芯”被磁化，地球磁場便大大加強，這樣地球就像是一個“電磁鐵”。地磁場主要由這個巨大的“電磁鐵”產(chǎn)生。在地球這個巨大“電磁鐵”的“鐵芯”被磁化的情況下，由于各種物質(zhì)在地球內(nèi)部的分布情況不同，加之其他因素（如溫度、壓力等）的影響，在地球內(nèi)部就形成了磁核。
古地磁學(xué)的證據(jù)表明，古代的地球磁場與現(xiàn)在的磁場極為不同。例如，在各個不同時期，磁極的位置基本不同。這就是說，磁極可能遷移了幾千里路。并且人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，地球磁場能夠突然轉(zhuǎn)換極性方向，使磁北極變成磁南極，磁南極變成磁北極。
對于地球磁場出現(xiàn)的這些奇怪現(xiàn)象，使人們既困惑又感興趣。于是人們在探究地球磁性起源的同時，也試圖對這些現(xiàn)象加以解釋，但至今也沒有對地球磁場這些奇怪現(xiàn)象的成因，做出令人滿意的解釋。那么，是否可以用大氣產(chǎn)生地球磁場的理論，解釋地球磁極遷移現(xiàn)象和地球磁場倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象？
地球除自身內(nèi)部的物質(zhì)運動外，它的繞軸自轉(zhuǎn)運動和繞日公轉(zhuǎn)運動，是人類最為熟悉的自然現(xiàn)象。有自轉(zhuǎn)，就有赤道平面；有公轉(zhuǎn)，就有軌道平面，即黃道平面。在黃道平面與赤道平面之間有一個交角，叫做黃赤交角。目前的黃赤交角是23°26‘。地球一邊繞軸自轉(zhuǎn)，一邊繞日公轉(zhuǎn)，在天空的位置時刻變化，這種情況會影響地球的自轉(zhuǎn)狀態(tài)。
實際上，地球的自轉(zhuǎn)狀態(tài)的確發(fā)生著變化。由黃赤交角的度數(shù)，并非是固定的就可以證明這一點。而地球自轉(zhuǎn)狀態(tài)的任何改變，都會使大氣的運動隨之發(fā)生變化。這就如同舞臺上，舞蹈演員身上的舞衣隨同演員舞姿的變化而變化一般。由于大氣的運動發(fā)生了變化，即通過地球這個巨大“電磁鐵”的電流發(fā)生了變化，根據(jù)安培定律，地球的磁極便會偏離原來位置。因此，地球磁極遷移的現(xiàn)象，就是由于地球運動變化所致。造成地球運動變化的因素是多方面的，來自地球本身或者地球以外空間的某些作用都有可能對地球的運動產(chǎn)生影響。例如，地殼的運動就有可能對地球自轉(zhuǎn)的狀態(tài)產(chǎn)生影響。
地球磁場的確有可能突然轉(zhuǎn)換極性方向，使磁北極變成磁南極，磁南極變成磁北極。地球磁場的倒轉(zhuǎn)在過去的地質(zhì)時期曾經(jīng)發(fā)生過很多次。
關(guān)于地球磁場的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，是一個比較復(fù)雜的問題。大氣運動產(chǎn)生地球磁場的理論認(rèn)為，大氣中的正負(fù)帶電粒子在隨同地球一起旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生了兩個極性相反的磁場。這兩個極性相反的磁場，大部分磁性都抵消了，但并沒有全部抵消，這樣就產(chǎn)生了地磁場。
地磁場既然由兩個極性相反的磁場共同作用形成，那么在地球各個不同的地質(zhì)年代，由于大氣情況（大氣的成分、溫度、分布及運動等）的不同，這兩個磁場的強弱會發(fā)生變化。在某一個時期里，某種帶電粒子所產(chǎn)生的磁場強于（或者弱于）另一種帶有相反電荷的粒子所產(chǎn)生的磁場。在接下來的另一個時期，如果大氣的情況發(fā)生變化，這種帶電粒子所產(chǎn)生的磁場就有可能又弱于 （或者強于）另一種帶有相反電荷的粒子所產(chǎn)生的磁場。當(dāng)此種情況發(fā)生時，地球磁場就會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
了解電磁鐵的人都知道，當(dāng)流過電磁鐵的電流改變方向時，電磁鐵的南北極就會對調(diào)。由于大氣的變化，大氣中正、負(fù)帶電粒子相對運動的情況也在發(fā)生變化，當(dāng)這種變化達到一定程度，致使這一相對運動發(fā)生逆轉(zhuǎn)時，地球這個巨大“電磁鐵”的電流方向就會改變，這時地球的南北磁極就會對調(diào)。
地球只是宇宙中的滄海一粟。同地球上的許多自然現(xiàn)象經(jīng)常要受外界作用的影響一樣，地球磁場也不是孤立的，它會受到外界影響。例如，太陽風(fēng)磁場對地球磁場施加作用，形成一個被太陽風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場區(qū)域，這就是磁層。地球磁層是一個更為復(fù)雜的問題。目前，科學(xué)家正在對其進行研究。
作者：張文 張宏美
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