地球的磁場及其起源.doc

地球的磁場以及起源摘要：本文在第一部分重點闡述了地球磁場的存在以及其存在的形式，還有一些簡單的性質(zhì)，然后在第二部分通過歷史猜想方面的總結(jié)，列舉出前人們對地磁場起源的種種看法以及對各種看法的各種認識論證。雖然還沒有達到統(tǒng)一的認識，但是對我們更進一步得認識地磁場有很大的幫助。正文：一、關(guān)于地磁場的描述地球磁場言是偶極型的，近似于把一個磁鐵棒放到地球中心，使它的N極大體上對著南極而產(chǎn)生的磁場形狀。當(dāng)然，地球中心并沒有磁鐵棒，而是通過電流在導(dǎo)電液體核中流動的發(fā)電機效應(yīng)產(chǎn)生磁場的。地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，宇宙飛船就已經(jīng)探測到太陽風(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。因為太陽風(fēng)是一種等離子體，所以它也有磁場，太陽風(fēng)磁場對地球磁場施加作用，好像要把地球磁場從地球上吹走似的。盡管這樣，地球磁場仍有效地阻止了太陽風(fēng)長驅(qū)直入。在地球磁場的反抗下，太陽風(fēng)繞過地球磁場，繼續(xù)向前運動，于是形成了一個被太陽風(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，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個特殊的界面，在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微，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)太陽活動劇烈時，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的邊緣，便形成了一個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個地球半徑。二、地磁場的來源關(guān)于地球磁場的來源，早期歷史上曾有來自北極星的傳說，但是到公元17世紀初就已經(jīng)認識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當(dāng)時仍不清楚地球磁場是怎樣產(chǎn)生的。隨著科學(xué)的發(fā)展，對于地球磁場觀測和地球結(jié)構(gòu)的研究不斷增多和深入，對地球磁場的來源先后提出了10多種學(xué)說。這里按照歷史的先后對一些各有一定根據(jù)或設(shè)想的地球磁場來源學(xué)說作簡單介紹： (1)永磁體學(xué)說，是最早提出的一種學(xué)說，認為地球內(nèi)部存在巨大的永磁體，由這永磁體產(chǎn)生地球磁場，但后來認識到地球內(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，但是既未觀測到這種巨大電流，而且巨大電流也會很快衰減，不會長期存在； (3)電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(1900年)，認為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號相反、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，但這學(xué)說缺乏理論和實驗基礎(chǔ)； (4)壓電效應(yīng)學(xué)說(1929年)，認為在地球內(nèi)部物質(zhì)在超高壓力下使物質(zhì)中的電荷分離，電子在這樣的電場中運動而產(chǎn)生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一(10-3)； (5)旋磁效應(yīng)學(xué)說(1933年)，認為地球內(nèi)的強磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場，但這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場只有地球磁場的大約千億分之一(10-11)； (6)溫差電效應(yīng)學(xué)說(1939年)，認為地球內(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)生溫差電動勢和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場，但理論估計也同地球磁場不符合； (7)發(fā)電機學(xué)說(19461947年)，認為是地球內(nèi)部的導(dǎo)電液體在流動時產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流，由這電流產(chǎn)生地球磁場； (8)旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說(1947年)，是根據(jù)少數(shù)天體觀測得到的經(jīng)驗規(guī)律，認為具有角動量的旋轉(zhuǎn)物體都會產(chǎn)生磁矩，因而產(chǎn)生磁場。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)精密的實驗結(jié)果加以否定了； (9)磁力線扭結(jié)學(xué)說(1950年)，認為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉(zhuǎn)，會使原始微弱的地球磁場放大，由此產(chǎn)生地球磁場；(10)霍爾效應(yīng)學(xué)說(1954年)，認為在地球內(nèi)部由于溫度不均勻產(chǎn)生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下，會由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電動勢和霍爾電流，由此產(chǎn)生地球磁場； (11)電磁感應(yīng)學(xué)說(1956年)，認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風(fēng)到達地球后，會通過地球內(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。在這些學(xué)說中，只有發(fā)電機學(xué)說(又稱磁流體發(fā)電機學(xué)說)在觀測、實驗和理論研究上得到較多的證認，是目前研究和應(yīng)用較多的地球磁場學(xué)說。但是由于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響地球磁場的因素又很多，因此這方面的觀測、實驗和理論等方面的研究仍需要不進行。該圖是地球內(nèi)部構(gòu)造與磁場的示意圖，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。地球磁場主要產(chǎn)生在液態(tài)金屬的外地核層。 關(guān)于地球磁場反向的學(xué)說，也有近10種，主要有非偶極型磁場變化學(xué)說(1964年)，無規(guī)磁場起伏學(xué)說(1968年)，地核流體對流對稱性變化學(xué)說(1969年)，地核流體對流區(qū)分布變化學(xué)說(1969年)，地核三偶極型磁場學(xué)說(1969年)，偶極型磁場變化學(xué)說(1971年)，雙偶極型磁場學(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，不論是地球磁場及相關(guān)磁現(xiàn)象的研究和應(yīng)用，還是地球磁場和地球磁場反向的來源的學(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)用價值上還是十分重要的。通過對這些方面的研究以及我們