地球的磁場(chǎng)及其起源.doc

地球的磁場(chǎng)以及起源摘要：本文在第一部分重點(diǎn)闡述了地球磁場(chǎng)的存在以及其存在的形式，還有一些簡(jiǎn)單的性質(zhì)，然后在第二部分通過歷史猜想方面的總結(jié)，列舉出前人們對(duì)地磁場(chǎng)起源的種種看法以及對(duì)各種看法的各種認(rèn)識(shí)論證。雖然還沒有達(dá)到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)我們更進(jìn)一步得認(rèn)識(shí)地磁場(chǎng)有很大的幫助。正文：一、關(guān)于地磁場(chǎng)的描述地球磁場(chǎng)言是偶極型的，近似于把一個(gè)磁鐵棒放到地球中心，使它的N極大體上對(duì)著南極而產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀。當(dāng)然，地球中心并沒有磁鐵棒，而是通過電流在導(dǎo)電液體核中流動(dòng)的發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的。地球磁場(chǎng)不是孤立的，它受到外界擾動(dòng)的影響，宇宙飛船就已經(jīng)探測(cè)到太陽風(fēng)的存在。太陽風(fēng)是從太陽日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的粒子流，主要成分是電離氫和電離氦。因?yàn)樘栵L(fēng)是一種等離子體，所以它也有磁場(chǎng)，太陽風(fēng)磁場(chǎng)對(duì)地球磁場(chǎng)施加作用，好像要把地球磁場(chǎng)從地球上吹走似的。盡管這樣，地球磁場(chǎng)仍有效地阻止了太陽風(fēng)長(zhǎng)驅(qū)直入。在地球磁場(chǎng)的反抗下，太陽風(fēng)繞過地球磁場(chǎng)，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，于是形成了一個(gè)被太陽風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場(chǎng)區(qū)域，這就是磁層。地球磁層位于地面6001000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面57萬公里。在太陽風(fēng)的壓縮下，地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠(yuǎn)，形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個(gè)特殊的界面，在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片。中性片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度微乎其微，厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向著地球，南面的磁力線離開地球。1967年發(fā)現(xiàn)，在中性片兩側(cè)約10個(gè)地球半徑的范圍里，充滿了密度較大的等離子體，這一區(qū)域稱作等離子體片。當(dāng)太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，等離子片中的高能粒子增多，并且快速地沿磁力線向地球極區(qū)沉降，于是便出現(xiàn)了千姿百態(tài)、絢麗多彩的極光。由于太陽風(fēng)以高速接近地球磁場(chǎng)的邊緣，便形成了一個(gè)無碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過渡區(qū)叫做磁鞘，厚度為34個(gè)地球半徑。二、地磁場(chǎng)的來源關(guān)于地球磁場(chǎng)的來源，早期歷史上曾有來自北極星的傳說，但是到公元17世紀(jì)初就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，不過當(dāng)時(shí)仍不清楚地球磁場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生的。隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)于地球磁場(chǎng)觀測(cè)和地球結(jié)構(gòu)的研究不斷增多和深入，對(duì)地球磁場(chǎng)的來源先后提出了10多種學(xué)說。這里按照歷史的先后對(duì)一些各有一定根據(jù)或設(shè)想的地球磁場(chǎng)來源學(xué)說作簡(jiǎn)單介紹： (1)永磁體學(xué)說，是最早提出的一種學(xué)說，認(rèn)為地球內(nèi)部存在巨大的永磁體，由這永磁體產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但后來認(rèn)識(shí)到地球內(nèi)部溫度很高，不可能存在永磁體； (2)內(nèi)部電流學(xué)說，認(rèn)為地球內(nèi)部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但是既未觀測(cè)到這種巨大電流，而且巨大電流也會(huì)很快衰減，不會(huì)長(zhǎng)期存在； (3)電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(1900年)，認(rèn)為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號(hào)相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流，由此電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，但這學(xué)說缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)； (4)壓電效應(yīng)學(xué)說(1929年)，認(rèn)為在地球內(nèi)部物質(zhì)在超高壓力下使物質(zhì)中的電荷分離，電子在這樣的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)。但理論計(jì)算出這樣的磁場(chǎng)僅有地磁場(chǎng)的約千分之一(10-3)； (5)旋磁效應(yīng)學(xué)說(1933年)，認(rèn)為地球內(nèi)的強(qiáng)磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約千億分之一(10-11)； (6)溫差電效應(yīng)學(xué)說(1939年)，認(rèn)為地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量，使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的不均勻?qū)α?，這樣產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但理論估計(jì)也同地球磁場(chǎng)不符合； (7)發(fā)電機(jī)學(xué)說(19461947年)，認(rèn)為是地球內(nèi)部的導(dǎo)電液體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流，由這電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)； (8)旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說(1947年)，是根據(jù)少數(shù)天體觀測(cè)得到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，認(rèn)為具有角動(dòng)量的旋轉(zhuǎn)物體都會(huì)產(chǎn)生磁矩，因而產(chǎn)生磁場(chǎng)。這一學(xué)說需要使用一無科學(xué)根據(jù)的常數(shù)，5年后又被提出這一學(xué)說的科學(xué)家根據(jù)精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以否定了； (9)磁力線扭結(jié)學(xué)說(1950年)，認(rèn)為在地球磁場(chǎng)磁力線的張力特性和地核的較差自轉(zhuǎn)，會(huì)使原始微弱的地球磁場(chǎng)放大，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)；(10)霍爾效應(yīng)學(xué)說(1954年)，認(rèn)為在地球內(nèi)部由于溫度不均勻產(chǎn)生的溫差電流和原始微弱磁場(chǎng)的同時(shí)使用下，會(huì)由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)和霍爾電流，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)； (11)電磁感應(yīng)學(xué)說(1956年)，認(rèn)為由太陽的強(qiáng)烈磁活動(dòng)通過帶電粒子的太陽風(fēng)到達(dá)地球后，會(huì)通過地球內(nèi)部的電磁感應(yīng)和整流作用產(chǎn)生地球內(nèi)部的電流，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。在這些學(xué)說中，只有發(fā)電機(jī)學(xué)說(又稱磁流體發(fā)電機(jī)學(xué)說)在觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和理論研究上得到較多的證認(rèn)，是目前研究和應(yīng)用較多的地球磁場(chǎng)學(xué)說。但是由于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響地球磁場(chǎng)的因素又很多，因此這方面的觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和理論等方面的研究仍需要不進(jìn)行。該圖是地球內(nèi)部構(gòu)造與磁場(chǎng)的示意圖，地球從外到內(nèi)分為地殼層(巖石層)、地幔層、外地核層和內(nèi)地核層。地殼主要為硅-鋁氧化物和硅-鎂氧化物等，地幔層主要為鐵-鎂硅酸鹽和鐵的氧化物和硫化物，外地核層和內(nèi)地核層主要為鐵(約90)和鎳(約10)金屬，外地核層呈液態(tài)，內(nèi)地核層呈固態(tài)。從地殼層到內(nèi)地核層，溫度越來越高，壓力也越來越大。地球磁場(chǎng)主要產(chǎn)生在液態(tài)金屬的外地核層。 關(guān)于地球磁場(chǎng)反向的學(xué)說，也有近10種，主要有非偶極型磁場(chǎng)變化學(xué)說(1964年)，無規(guī)磁場(chǎng)起伏學(xué)說(1968年)，地核流體對(duì)流對(duì)稱性變化學(xué)說(1969年)，地核流體對(duì)流區(qū)分布變化學(xué)說(1969年)，地核三偶極型磁場(chǎng)學(xué)說(1969年)，偶極型磁場(chǎng)變化學(xué)說(1971年)，雙偶極型磁場(chǎng)學(xué)說(1975年)，銀河星系旋臂干擾學(xué)說(1974年)，地外天體撞擊學(xué)說(1987年)等。前7種地球磁場(chǎng)反向?qū)W說來自地球內(nèi)部，可稱為內(nèi)源說，后2種地球磁場(chǎng)反向?qū)W說來自地球以外天體的干擾或撞擊，可稱為外源說。 從以上的介紹可以看出，不論是地球磁場(chǎng)及相關(guān)磁現(xiàn)象的研究和應(yīng)用，還是地球磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)反向的來源的學(xué)說，內(nèi)容都是很豐富的，有的方面在科學(xué)意義上或是在應(yīng)用價(jià)值上還是十分重要的。通過對(duì)這些方面的研究以及我們