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來(lái)源: 大眾科技報(bào)
地球是一個(gè)巨大的磁體。地球磁場(chǎng)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(gè)重要物理屬性。地球磁場(chǎng)對(duì)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(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)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(dòng)中，人類對(duì)地球磁場(chǎng)的各種測(cè)試工作是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。
地球的磁性是怎樣形成的
我們?cè)岢龃髿膺\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生地球磁場(chǎng)的理論，認(rèn)為地球磁場(chǎng)是地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果。地球磁場(chǎng)主要在大氣圈產(chǎn)生，而不是在地球內(nèi)部深處。
我們?cè)?jīng)把大氣看成一個(gè)巨大的通電“螺線管”。這個(gè)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(chǎng)。地球磁場(chǎng)的極性跟電流方向的關(guān)系，符合安培定則。我們還運(yùn)用這一理論解釋了太陽(yáng)風(fēng)暴到達(dá)地球時(shí)地球磁場(chǎng)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(shí)，有些人對(duì)我們的理論從不同的角度提出許多問(wèn)題。對(duì)于這些疑問(wèn)，我們已盡可能地作了回答。這里要說(shuō)明的是，地球表面電荷隨同地球旋轉(zhuǎn)時(shí)也產(chǎn)生磁場(chǎng)，是我們?cè)谔接憽暗厍虼艌?chǎng)主要是由于大氣中的帶電粒子在隨同地球一起旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生”的問(wèn)題時(shí)，需要加以考慮的一個(gè)因素。現(xiàn)在，再對(duì)地球內(nèi)部的磁核問(wèn)題進(jìn)行一些探討，并對(duì)地球磁極游蕩的現(xiàn)象和地球磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象加以解釋。
關(guān)心地球磁場(chǎng)的人大多都知道，地球內(nèi)部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于地球外部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。這一現(xiàn)象表明地球的磁場(chǎng)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(shí)，地球內(nèi)部確有磁核存在。
在人們尋找地球磁性起源的時(shí)候，地球磁場(chǎng)的這種分布情況，把人們的目光導(dǎo)向了地球的內(nèi)部。長(zhǎng)期以來(lái)，許多人都深信，地球的磁場(chǎng)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(guó)物理學(xué)家吉爾伯特提出地球是巨大磁體的理論；同時(shí)，他還提出地球的磁場(chǎng)主要是由地球內(nèi)部深處產(chǎn)生的。從那以后，為了說(shuō)明地球的磁場(chǎng)，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(jìn)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(jī)理論，也是在地球內(nèi)部深處進(jìn)行探討的。當(dāng)人們證實(shí)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(wú)須懷疑的事實(shí)。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們采用不同的研究方法來(lái)“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(gè)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(dá)5000～6000攝氏度。地核具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。因此，用地球內(nèi)部的電流作用來(lái)解釋地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的機(jī)制的理論便成為一種很有影響的理論。
地球內(nèi)部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于地球外部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)。問(wèn)題是為什么地球的磁場(chǎng)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(chǎng)的作用下都能或多或少地被磁化，只不過(guò)是被磁化的程度不同。我們認(rèn)為是大氣的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了磁場(chǎng)，而地球是處在大氣所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中。在大氣磁場(chǎng)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(gè)巨大的磁體。因此，地球磁場(chǎng)主要是由作為地球的外部圈層的大氣所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以及被大氣磁場(chǎng)磁化了的地球的內(nèi)部圈層所產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)的作用下慣性化，所以地球內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的作用下形成的。
地球磁場(chǎng)主要由地球的大氣圈產(chǎn)生，因而可把大氣看成一個(gè)巨大的“通電螺線管”。通電螺線管表現(xiàn)出來(lái)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(shí)，由于鐵芯被磁化，磁場(chǎng)就會(huì)大大增強(qiáng)。因此把螺線管套在鐵芯上，就構(gòu)成了一個(gè)電磁鐵，電磁鐵的磁性比螺線管的磁性強(qiáng)。
由此，在把大氣看成一個(gè)巨大的“通電螺線管”的同時(shí)，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(gè)巨大“通電螺線管”內(nèi)的“鐵芯”。由于這個(gè)“鐵芯”被磁化，地球磁場(chǎng)便大大加強(qiáng)，這樣地球就像是一個(gè)“電磁鐵”。地磁場(chǎng)主要由這個(gè)巨大的“電磁鐵”產(chǎn)生。在地球這個(gè)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(chǎng)與現(xiàn)在的磁場(chǎng)極為不同。例如，在各個(gè)不同時(shí)期，磁極的位置基本不同。這就是說(shuō)，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(chǎng)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(duì)于地球磁場(chǎng)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?cè)谔骄康厍虼判云鹪吹耐瑫r(shí)，也試圖對(duì)這些現(xiàn)象加以解釋，但至今也沒有對(duì)地球磁場(chǎng)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(chǎng)的理論，解釋地球磁極遷移現(xiàn)象和地球磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象？
地球除自身內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)外，它的繞軸自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和繞日公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(shí)刻變化，這種情況會(huì)影響地球的自轉(zhuǎn)狀態(tài)。
實(shí)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(diǎn)。而地球自轉(zhuǎn)狀態(tài)的任何改變，都會(huì)使大氣的運(yùn)動(dòng)隨之發(fā)生變化。這就如同舞臺(tái)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(yùn)動(dòng)發(fā)生了變化，即通過(guò)地球這個(gè)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(huì)偏離原來(lái)位置。因此，地球磁極遷移的現(xiàn)象，就是由于地球運(yùn)動(dòng)變化所致。造成地球運(yùn)動(dòng)變化的因素是多方面的，來(lái)自地球本身或者地球以外空間的某些作用都有可能對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。例如，地殼的運(yùn)動(dòng)就有可能對(duì)地球自轉(zhuǎn)的狀態(tài)產(chǎn)生影響。
地球磁場(chǎng)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(chǎng)的倒轉(zhuǎn)在過(guò)去的地質(zhì)時(shí)期曾經(jīng)發(fā)生過(guò)很多次。
關(guān)于地球磁場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生地球磁場(chǎng)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(shí)，產(chǎn)生了兩個(gè)極性相反的磁場(chǎng)。這兩個(gè)極性相反的磁場(chǎng)，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(chǎng)。
地磁場(chǎng)既然由兩個(gè)極性相反的磁場(chǎng)共同作用形成，那么在地球各個(gè)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(yùn)動(dòng)等）的不同，這兩個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱會(huì)發(fā)生變化。在某一個(gè)時(shí)期里，某種帶電粒子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)于（或者弱于）另一種帶有相反電荷的粒子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。在接下來(lái)的另一個(gè)時(shí)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(chǎng)就有可能又弱于 （或者強(qiáng)于）另一種帶有相反電荷的粒子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。當(dāng)此種情況發(fā)生時(shí)，地球磁場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
了解電磁鐵的人都知道，當(dāng)流過(guò)電磁鐵的電流改變方向時(shí)，電磁鐵的南北極就會(huì)對(duì)調(diào)。由于大氣的變化，大氣中正、負(fù)帶電粒子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況也在發(fā)生變化，當(dāng)這種變化達(dá)到一定程度，致使這一相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)，地球這個(gè)巨大“電磁鐵”的電流方向就會(huì)改變，這時(shí)地球的南北磁極就會(huì)對(duì)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(chǎng)也不是孤立的，它會(huì)受到外界影響。例如，太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)對(duì)地球磁場(chǎng)施加作用，形成一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場(chǎng)區(qū)域，這就是磁層。地球磁層是一個(gè)更為復(fù)雜的問(wèn)題。目前，科學(xué)家正在對(duì)其進(jìn)行研究。
作者：張文 張宏美
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