畢業(yè)論文地球的磁場(chǎng)是怎么產(chǎn)生的.doc

Liaoning Normal University（2014屆）本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目： 地磁場(chǎng)的產(chǎn)生學(xué) 院： 物理與電子技術(shù)學(xué)院專 業(yè)： 物理學(xué)班級(jí)序號(hào)：學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 地磁場(chǎng)的產(chǎn)生目 錄Abstract 1Key words1摘要1關(guān)鍵詞1前言21 關(guān)于地磁場(chǎng)的描述22地磁場(chǎng)的組成33地磁場(chǎng)起源的歷史33.1 地磁場(chǎng)起源的基本理論要求33.2 主要的地磁起源理論44 地核發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)64.1 自激發(fā)電機(jī)理論的提出64.2 磁流體發(fā)電機(jī)理論64.3埃爾薩塞帕克模型和布拉德過(guò)程74.4 自激發(fā)電機(jī)理論的不足85 總結(jié)9注釋9參考文獻(xiàn)9致謝10地磁場(chǎng)的產(chǎn)生摘要：長(zhǎng)久以來(lái)，地磁場(chǎng)起源問(wèn)題一直是一個(gè)沒(méi)有被解決的重大地球物理難題。從1600年吉爾伯特提出第一個(gè)永久磁化理論到現(xiàn)在，400多年來(lái)，至少有十幾種地磁起源的假說(shuō)或理論相繼問(wèn)世，但大多數(shù)假說(shuō)還未來(lái)得及充分發(fā)展就被放棄了?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)為是由地核內(nèi)液態(tài)鐵的流動(dòng)引起的。最具代表性的假說(shuō)是“地核發(fā)電機(jī)理論”。1945年，物理學(xué)家埃爾薩塞根據(jù)磁流體發(fā)電機(jī)的原理，認(rèn)為當(dāng)液態(tài)的外地核在最初的微弱磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，像磁流體發(fā)電機(jī)一樣產(chǎn)生電流，電流的磁場(chǎng)又使原來(lái)的弱磁場(chǎng)增強(qiáng)，這樣外地核物質(zhì)與磁場(chǎng)相互作用，使原來(lái)的弱磁場(chǎng)不斷加強(qiáng)。由于摩擦生熱的消耗，磁場(chǎng)增加到一定程度就穩(wěn)定下來(lái)，形成了現(xiàn)在的地磁場(chǎng)。關(guān)鍵詞：地磁場(chǎng)起源 地核發(fā)電機(jī)理論 磁流體發(fā)電機(jī)理論Abstract: For a long time, the magnetic field origin problem has always been a major geophysical problems not been resolved.Gilbert in 1600 first permanent magnetization theory put forward by now, More than 400 years, There are at least a dozen hypothesis or theory for the origin of geomagnetic field, But most of the hypothesis has not yet had time to full development has been abandoned. Now it is widely believed to be caused by the flow of the liquid iron in the core. The most representative of the hypothesis is the core theory of generator. In 1945, physicists el Sussex, based on the principle of MHD generator, He think that when the liquid outer core movement in the initial weak magnetic field, An electrical current as MHD generators, Current magnetic field and the original weak magnetic field enhancement, Such foreign nuclear matter interact with magnetic field, Such foreign nuclear matter interact with magnetic field. Because of friction heating consumption, Magnetic field increases to a certain degree is stabilized, it built the earths magnetic field.Key words: Origin of the magnetic field The core theory of generator MHD generator theory前言：地球的基本磁場(chǎng)與人類的關(guān)系十分密切，它的強(qiáng)度雖然不大（不足1高斯），但展布的空間卻很大，它保護(hù)著地球上的生物和人類，使之免受宇宙輻射的侵害，是地球的重要環(huán)境因素之一，對(duì)人類的生存和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)地球起源的研究顯得十分重要。然而由于地磁研究的方法、手段、設(shè)備、思路等問(wèn)題，使地球磁場(chǎng)的成因至今仍不清楚，愛(ài)因斯坦把地磁場(chǎng)起源問(wèn)題成為“五大物理難題”之一。歷史上，有關(guān)地球磁場(chǎng)的成因產(chǎn)生過(guò)多種猜測(cè)，其中地核發(fā)電機(jī)理論被公認(rèn)為最合理、最有希望的一種。然而，這種假說(shuō)仍然存在一些問(wèn)題，這就提示我們應(yīng)該認(rèn)真審視近百年來(lái)地磁研究的發(fā)展歷程，是否存在偏差和疏漏，所以本文對(duì)歷史上一些比較重要的假說(shuō)或理論作一簡(jiǎn)要的介紹和說(shuō)明。有對(duì)地核發(fā)電機(jī)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，希望以此來(lái)開拓思維，拓展視野。1關(guān)于地磁場(chǎng)的描述地球具有各種各樣的物理場(chǎng)，如重力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等、而地磁場(chǎng)正是是重要的地球物理場(chǎng)之一。地球周圍存在的磁場(chǎng)，包括磁層頂以下的固體地球內(nèi)部和外部所有場(chǎng)源產(chǎn)生的磁場(chǎng)。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(yáng)風(fēng)的存在。因?yàn)樘?yáng)風(fēng)是一種等離子體，所以它也有磁場(chǎng)，太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)長(zhǎng)驅(qū)直入。在地球磁場(chǎng)的反抗下，太陽(yáng)風(fēng)繞過(guò)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(yáng)風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場(chǎng)區(qū)域，這就是磁層。 地球磁層位于距大氣層頂6001000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面57萬(wàn)公里。在太陽(yáng)風(fēng)的壓縮下，地球磁力線向背著太陽(yáng)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。 圖1為地球磁場(chǎng)的示意圖。圖1 地球磁場(chǎng)示意圖2 地磁場(chǎng)的組成眾所周知，磁性物質(zhì)和電流都可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)就是由地球內(nèi)部磁性巖石以及分布在地球內(nèi)部和外部的電流所產(chǎn)生的各種磁場(chǎng)成分疊加而成的，但是由于磁場(chǎng)起源不同，各種磁場(chǎng)成分的空間分布和時(shí)間變化規(guī)律也不盡相同。所以有必要對(duì)地磁場(chǎng)的組成進(jìn)行分類研究。按照?qǐng)鲈次恢脛澐?，地磁?chǎng)可以分為內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)兩大部分。內(nèi)源場(chǎng)起源于地表以下的磁性物質(zhì)和電流，它可以進(jìn)一步分為地核場(chǎng)、地殼場(chǎng)和感應(yīng)場(chǎng)三部分。地核場(chǎng)又稱為主磁場(chǎng)，地殼場(chǎng)又叫局部異常磁場(chǎng)，是由地殼和上地幔磁性巖石產(chǎn)生的。而主磁場(chǎng)和局部異常磁場(chǎng)有時(shí)會(huì)合為穩(wěn)定磁場(chǎng)。至于感應(yīng)場(chǎng)則是外部變化磁場(chǎng)在地球內(nèi)部生成感應(yīng)電流的磁場(chǎng)。外源場(chǎng)起源于地表以上的空間電流體系，它們主要分布在電離層和磁層中，行星際空間的電流對(duì)變化磁場(chǎng)的直接貢獻(xiàn)很小。由于這些電流體系歲時(shí)間變化較快，所以外源場(chǎng)通常又叫變化磁場(chǎng)或瞬變磁場(chǎng)。從全球平均來(lái)看，地核主磁場(chǎng)占總磁場(chǎng)的95%以上，地殼磁場(chǎng)約占4%,外源變化磁場(chǎng)及其感應(yīng)磁場(chǎng)只占總磁場(chǎng)的1%。3 地磁場(chǎng)起源研究歷史回顧從一千多年前的古代起，人類就知道地球有磁場(chǎng)，但是地球怎么會(huì)有磁場(chǎng)，卻是至今難以圓滿回答的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，地磁場(chǎng)起源問(wèn)題一直都在吸引同時(shí)也在困擾著人類的智慧。時(shí)時(shí)有前進(jìn)，但卻總無(wú)盡頭。四百多年來(lái)至少有十幾種關(guān)于地磁起源的假說(shuō)或理論相繼問(wèn)世，但大多數(shù)假說(shuō)還未來(lái)得及充分發(fā)展就被放棄了。3.1 地磁場(chǎng)起源的基本理論要求一個(gè)成功的地磁場(chǎng)起源理論應(yīng)該是物理上合理的理論，它必須符合地磁學(xué)、力學(xué)、熱力學(xué)等物理學(xué)基本規(guī)律。而且該理論不僅應(yīng)該能夠合理地解釋地磁學(xué)已有的觀測(cè)事實(shí)，解釋過(guò)去地磁場(chǎng)演化的歷史，而且可以預(yù)言未來(lái)地磁場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)，對(duì)認(rèn)識(shí)地球和宇宙的其他現(xiàn)象有所幫助。一個(gè)成功的地磁場(chǎng)起源理論同樣不僅應(yīng)符合地磁學(xué)的主要觀測(cè)事實(shí)，而且應(yīng)盡可能與其他相關(guān)學(xué)科的觀測(cè)事實(shí)相符合，至少不矛盾，其中包括地震、重力、地?zé)?、和天文學(xué)科得到的觀測(cè)結(jié)果。地磁場(chǎng)的起源理論應(yīng)回答的基本問(wèn)題大體如下：（1）地球?yàn)槭裁磿?huì)有磁場(chǎng)？（2）為什么地磁場(chǎng)會(huì)長(zhǎng)期存在（至少為地球年齡的70%）（3）為什么地磁場(chǎng)中的偶極子場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)？（4）決定地磁場(chǎng)強(qiáng)度的因素是什么？（5）為什么地磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有變化，而變化又那么??？（6）為什么指南針近似指北？（7）為什么平均地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸相合？（8）為什么地磁場(chǎng)的極性會(huì)倒轉(zhuǎn)？（9）極性倒轉(zhuǎn)時(shí)地磁場(chǎng)發(fā)生什么樣的變化？為什么？（10）為什么沒(méi)有占優(yōu)勢(shì)的極性？（11）為什么地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)頻率變化如此之大？（12）引起地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的物理過(guò)程是什么？（13）為什么其他行星和衛(wèi)星也有磁場(chǎng)？這些磁場(chǎng)是否可以用同一機(jī)制解釋？在地磁學(xué)發(fā)展史上，雖然有的地磁起源假說(shuō)只是為解釋某一特定的地磁現(xiàn)象而提出的，有的則更為普遍一些，不管是哪一種，在該假說(shuō)提出的時(shí)候都有其合理和成功的地方。它們不斷接受者日益發(fā)展的物理學(xué)，地學(xué)等學(xué)科的檢驗(yàn)，受到迅速增多的觀測(cè)事實(shí)的檢驗(yàn)和挑戰(zhàn)。3.2 主要的地磁起源理論愛(ài)因斯坦于1905年發(fā)表他的狹義相對(duì)論不久，就把地磁場(chǎng)的起源問(wèn)題歸結(jié)為在物理學(xué)中尚未解決的五大難題之一。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(lái)源先后提出了10多種學(xué)說(shuō)。這里對(duì)其中一些比較重要的假說(shuō)或理論作一簡(jiǎn)要的介紹和說(shuō)明。（1）永久磁化理論地磁場(chǎng)在地球表面的分布類似于一個(gè)地心磁偶極子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)（如圖2所示）。根據(jù)這一觀測(cè)事實(shí)，吉爾伯特（W.Gilbert）提出了最早的永久磁化理論。他設(shè)想地球內(nèi)部可能存在這一個(gè)大的永久磁體，它產(chǎn)生地面觀測(cè)到的磁體，乍看起來(lái)，雖很容易被人接受，但是這種假說(shuō)并不成立。圖2 地磁場(chǎng)分布圖從實(shí)驗(yàn)中我們可以知道，鐵磁質(zhì)的磁化與穩(wěn)定有關(guān)，隨溫度的升高，它的磁化能力將逐漸減小，當(dāng)溫度升到一定溫度時(shí)，鐵磁性就完全消失了，這個(gè)溫度被稱為“居里溫度”。這時(shí)鐵磁質(zhì)中的磁性將消失殆盡。地核的主要成分是鐵，已知鐵的居里溫度為770，而地核的溫度在2200以上。如果地核曾有過(guò)磁性，那么由于地核內(nèi)的溫度升高并超過(guò)居里溫度，這種磁性也早就消失了。而且有資料表明，地球磁場(chǎng)的南北極性至今曾經(jīng)發(fā)生過(guò)很多次的倒轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)各地巖石所屬地質(zhì)年代和他們化石磁性的精密測(cè)定可知，在距今約450萬(wàn)年的時(shí)間里，地磁場(chǎng)的極性曾發(fā)生過(guò)9次倒轉(zhuǎn)，最晚一次極性倒轉(zhuǎn)約發(fā)生在60萬(wàn)年前。利用永磁體學(xué)說(shuō)是很難解釋地磁場(chǎng)的倒轉(zhuǎn)和其他觀測(cè)到的一些長(zhǎng)期變化特性現(xiàn)象的。（2）旋轉(zhuǎn)電荷理論根據(jù)電流周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且已經(jīng)測(cè)出外地核可能是液態(tài)的，這是因?yàn)樵谀抢餃y(cè)出地震波橫波消失。地核的溫度有很高，外地核可達(dá)4000左右，于是舒瑟蘭德（W.Sutherland）認(rèn)為，外地核是處于高溫電離了的液體狀態(tài)。由于地球的自轉(zhuǎn)使得外地核流動(dòng)起來(lái)形成了強(qiáng)大的電流而產(chǎn)生磁場(chǎng)。按照這種假設(shè), 外地核是處于高溫電離了的液體狀態(tài), 但在高溫下, 電離了的液體狀態(tài)必然同時(shí)存在著正負(fù)離子, 且兩種電荷的量值相等。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時(shí), 大量的正負(fù)兩種離子會(huì)產(chǎn)生方向相反的電流, 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也必然方向相反, 結(jié)果必然相互抵消, 而不會(huì)有凈磁場(chǎng)產(chǎn)生。而且, 這種假說(shuō)也不能很好的解釋地磁場(chǎng)的倒轉(zhuǎn)。所以這個(gè)假說(shuō)也不能成為地磁場(chǎng)起源真正原因的解釋。（3）壓電效應(yīng)理論這個(gè)理論認(rèn)為，在流體地核內(nèi)部的超高壓力使其中物質(zhì)的電荷分離，電子在這樣的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)。但是根據(jù)現(xiàn)有的資料估計(jì)，這一效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)僅為地磁場(chǎng)的0.2%。（4） 溫差電效應(yīng)理論根據(jù)湯姆遜的溫差電動(dòng)勢(shì)原理，如圖3所示，設(shè)有一金屬棒AB，其兩端的溫度不同。A端溫度高，設(shè)為T1，B端溫度低，設(shè)為T2，即T1T2，這時(shí)在金屬棒兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)榻饘僦械碾娮赢?dāng)溫度不均勻時(shí)，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，自由電子會(huì)自動(dòng)的從高溫的一端擴(kuò)散到低溫的一端，并堆積起來(lái)。因此，在高溫的一端由于缺少電子而帶正電，低溫的一端由于獲得電子而帶負(fù)點(diǎn)，從而使整個(gè)金屬棒內(nèi)產(chǎn)生了電流。圖3 金屬棒形成溫差電動(dòng)勢(shì)示意圖將這個(gè)觀點(diǎn)應(yīng)用于地球，地球是一個(gè)大的導(dǎo)體，地球內(nèi)部的溫度很高，相對(duì)來(lái)說(shuō)，表面溫度很低，即內(nèi)外溫差大。因此可以設(shè)想內(nèi)地核是帶正電的，外地核由于溫度較低一些所以是帶負(fù)電的。外地核上的負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向與地球繞軸的自轉(zhuǎn)方向一致, 形成的環(huán)形電流的方向就與地球的自轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)右手螺旋定則, 如果用四指表示環(huán)流方向, 大拇指就是螺旋管內(nèi)的磁場(chǎng)方向。從地球外部來(lái)看, 地球的地理南極是地磁的北極, 地理北極是地磁的南極, 而內(nèi)地核上的正電荷分布在地球的中心, 地球自轉(zhuǎn)時(shí), 它基本上是不動(dòng)的, 所以形成不了電流從而也產(chǎn)生不了磁場(chǎng)。這種假說(shuō)可以解釋為什么地球的南北極和地磁場(chǎng)的南北極正好相反, 也可以解釋為什么地磁場(chǎng)的強(qiáng)度有變動(dòng)現(xiàn)象，這是因?yàn)榈厍騼?nèi)部溫度發(fā)生了變化, 地球內(nèi)部釋放熱量的不均勻性, 因此溫差電動(dòng)勢(shì)發(fā)生了變化, 于是磁場(chǎng)也就隨著發(fā)生變化。但是這種假說(shuō)也無(wú)法解釋地磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象, 因?yàn)榘凑者@個(gè)假說(shuō), 負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)是由于地球自西向東的自轉(zhuǎn)引起的, 可是到目前為止地球的自轉(zhuǎn)從未改變過(guò)方向。也就是說(shuō), 負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向也一直沒(méi)有改變過(guò), 所以由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)也不會(huì)發(fā)生倒轉(zhuǎn)。這與測(cè)觀事實(shí)不符。還有, 根據(jù)溫差電動(dòng)勢(shì)計(jì)算出的磁場(chǎng)大小也同地球磁場(chǎng)不符。因此, 應(yīng)用溫差電動(dòng)勢(shì)理論還不能真正解釋清楚地磁的產(chǎn)生之謎。（5）磁暴感應(yīng)理論磁暴是經(jīng)常發(fā)生的磁場(chǎng)變化現(xiàn)象，它起源于磁層赤道環(huán)電流。查特里（J.S.Chatterjee）認(rèn)為反復(fù)發(fā)生的磁暴恢復(fù)相，通過(guò)電磁感應(yīng)可以在地核中產(chǎn)生偶極磁場(chǎng)的電流體系。在前一個(gè)磁暴的感應(yīng)電流消失之前，后一個(gè)磁暴接著發(fā)生，在磁暴多次重復(fù)之后，就會(huì)形成今天的地磁場(chǎng)。但是根據(jù)磁暴理論，只有當(dāng)偶極場(chǎng)存在的條件下，才會(huì)形成產(chǎn)生磁暴主相和恢復(fù)相的赤道環(huán)電流。即先有地磁場(chǎng)后有磁暴環(huán)電流。況且，暫不考慮這個(gè)困難，要形成今天的地磁偶極場(chǎng)，大約需要100億年，而地球卻只有50億年的歷史。4地核發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)雖然四百多年來(lái)，關(guān)于地磁場(chǎng)起源的理論先后有十幾種假說(shuō)或理論相繼問(wèn)世，但是，目前，只有地核發(fā)電機(jī)理論“一枝獨(dú)秀”，得到普遍的承認(rèn)和深入研究。 4.1 自激發(fā)電機(jī)理論的提出1919年拉莫爾（J.Larmor）首次提出天體磁場(chǎng)起源的發(fā)電機(jī)假說(shuō)，他在像太陽(yáng)這樣的旋轉(zhuǎn)天體怎樣成為磁體？一文中寫道：“太陽(yáng)表面的現(xiàn)象指出，在太陽(yáng)內(nèi)部（主要在子午面內(nèi)）存在著殘余的環(huán)流。這種內(nèi)部運(yùn)動(dòng)將因感應(yīng)而生成電場(chǎng)，而電場(chǎng)又作用于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)。如果環(huán)繞太陽(yáng)軸的任一導(dǎo)電回路是連通的，則有電流繞太陽(yáng)軸流動(dòng)，此電流將使施感磁場(chǎng)增強(qiáng)。于是太陽(yáng)內(nèi)部環(huán)流運(yùn)動(dòng)就以自激發(fā)電機(jī)的方式，通過(guò)消耗內(nèi)部環(huán)流運(yùn)動(dòng)的能量，維持一個(gè)永久磁場(chǎng)。”拉莫爾的想法也同樣適用于導(dǎo)電流體的地球外核。但是否天體內(nèi)部流體的任何運(yùn)動(dòng)都可以維持永久磁場(chǎng)？回答是否定的。1934年柯林（T.G.Cowling）從理論上證明，軸對(duì)稱磁場(chǎng)不可能由軸對(duì)稱運(yùn)動(dòng)所維持，因而他認(rèn)為拉莫爾的設(shè)想是錯(cuò)誤的，這被稱為第一個(gè)“反發(fā)電機(jī)理論”。“反發(fā)電機(jī)理論的證明引發(fā)了尋找更普遍的反發(fā)電機(jī)理論的熱潮，直到1970年，奇爾德萊斯和羅伯茨證明不存在普遍的反發(fā)電機(jī)定理，這一熱潮才告停止。4.2 磁流體發(fā)電機(jī)理論雖然最早由拉莫爾提出了自激發(fā)電機(jī)的理論,但對(duì)它較為系統(tǒng)的論述, 則可以追溯到1940年代末和1950年代初由埃爾薩塞(W. M. E lsasser)、帕克( E. N. Parker)和布拉德( E. C. Bullard)等人完成的埃爾薩塞-帕克模型和布拉德過(guò)程。 根據(jù)之前介紹的永久磁化理論，我們知道鐵的磁性以及它在地球內(nèi)部的豐富含量導(dǎo)致了“地球是一個(gè)大磁鐵”的設(shè)想，但是，物質(zhì)居里溫度的發(fā)現(xiàn)很快又否定了這個(gè)最早的地磁場(chǎng)起源假說(shuō)。實(shí)驗(yàn)證明，物質(zhì)被加熱到一定溫度（居里溫度）以上，原子磁矩的取向就會(huì)變得雜亂無(wú)章，于是物質(zhì)原來(lái)具有的宏觀磁性消失了。不同物質(zhì)具有不同的居里溫度，鐵為798攝氏度，磁鐵礦為675攝氏度。地球內(nèi)部溫度隨深度而增加，平均大約在25km深度處就能達(dá)到居里溫度。這就是說(shuō)，不可能指望該深度一下的地球物質(zhì)磁性能產(chǎn)生觀測(cè)到的地磁場(chǎng)。那么，居里點(diǎn)等溫面以上的地殼物質(zhì)是否可能是地球主磁場(chǎng)的源呢？在檢驗(yàn)了所有已知地殼物質(zhì)磁性后得出了否定的結(jié)論。在最理想的情況下，全部地殼物質(zhì)對(duì)地磁偶極子場(chǎng)的貢獻(xiàn)也是微乎其微的。更為困難的是，地殼的變形和運(yùn)動(dòng)及其緩慢，根本無(wú)法解釋快得多的磁極運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)西向漂移地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)等一系列重要現(xiàn)象。如上所說(shuō)，由于地幔的溫度超過(guò)居里點(diǎn)，所以占地球體積82%的地幔物質(zhì)的磁性不可能是地球主磁場(chǎng)的源。那么，地幔物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)是否能夠產(chǎn)生主磁場(chǎng)呢？因?yàn)樵S多事實(shí)證明，地幔對(duì)流是存在的：海洋與大陸的形成，地震與火山的活動(dòng)，海底擴(kuò)張和大陸漂移等觀測(cè)事實(shí)顯示著地幔的活動(dòng)性；中洋脊地幔上升和俯沖帶地幔下降給出了地幔在重力和熱力驅(qū)動(dòng)下不斷對(duì)流的證據(jù)；地幔流動(dòng)的速度太慢，依然不能解釋磁極移動(dòng)、磁場(chǎng)西漂和極性倒轉(zhuǎn)。而地磁學(xué)得益于地震學(xué)的幫助，找到了唯一可能產(chǎn)生地球主磁場(chǎng)的源液態(tài)地球外核。地震學(xué)研究了地震波在地球內(nèi)部的傳播，得到了地球內(nèi)部物質(zhì)密度和狀態(tài)的詳細(xì)分布，為地磁產(chǎn)的起源的研究提供了重要的基礎(chǔ)，如圖4所示為地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。額圖4 地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 地球的最表層是地殼，地殼厚度在海洋下約為10km,在青藏高原可達(dá)80km.地殼之下是上地幔，經(jīng)過(guò)600700km的轉(zhuǎn)換帶到達(dá)下地幔，在2890km處是核地幔界面，其下是液態(tài)外核，到5150km深度遇到固態(tài)內(nèi)核。流體外核實(shí)最容易產(chǎn)生磁場(chǎng)的地方。地球的密度、溫度和壓力隨深度增加，組成地球的物質(zhì)在其漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中不斷發(fā)生形變和分異,形成了現(xiàn)今基本上呈同心球?qū)拥慕Y(jié)構(gòu)。核幔邊界是地球物質(zhì)成分的顯著分界面，兩邊物質(zhì)的化學(xué)、物理學(xué)特性以及動(dòng)力學(xué)狀態(tài)明顯不同，地球外核處于40006000度的高溫和150250萬(wàn)大氣壓的高壓狀態(tài)下，其中的物質(zhì)呈導(dǎo)電流體狀態(tài)。在溫度和密度差異的條件下，外核流體在自轉(zhuǎn)系統(tǒng)中發(fā)生對(duì)流，從而產(chǎn)生了自激發(fā)電機(jī)過(guò)程，這就是地球主磁場(chǎng)的磁流體發(fā)電機(jī)理論。4.3 埃爾薩塞帕克模型和布拉德過(guò)程1940年代末和1950年代初由埃爾薩塞、帕克、和布拉德等人完成的埃爾薩塞帕克模型和布拉德過(guò)程對(duì)地球磁場(chǎng)的起源有了較為系統(tǒng)的論述。他們根據(jù)磁流體發(fā)電機(jī)的原理提出了一個(gè)頗為合理的設(shè)想：液態(tài)鐵的外地核，內(nèi)側(cè)區(qū)域的溫度比較高，外側(cè)溫度比較低。位于內(nèi)側(cè)區(qū)域的鐵被加熱會(huì)向外側(cè)上升，這些上升到外側(cè)表面的鐵在冷卻以后變重，又會(huì)向內(nèi)側(cè)下落。這樣，在外核中就形成了液態(tài)鐵的對(duì)流。這種鐵流體在一個(gè)最初的微弱磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，就會(huì)像磁流體發(fā)電機(jī)一樣產(chǎn)生電流（電磁感應(yīng)）。據(jù)分析，地球內(nèi)部有許多因素都能形成那個(gè)微弱的“種子”磁場(chǎng)的。電流的磁場(chǎng)又使原來(lái)弱的磁場(chǎng)得到加強(qiáng)，這樣外地核物質(zhì)與磁場(chǎng)相互作用使得原來(lái)弱磁場(chǎng)不斷加強(qiáng)。由于摩擦生熱的消耗，當(dāng)磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)變會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，形成現(xiàn)在我們這樣的地磁場(chǎng)。而雙圓盤發(fā)電機(jī)模型從原理上闡明了地磁場(chǎng)起源的物理機(jī)制，如圖5所示，圓盤在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)， 圖5 雙圓盤發(fā)電機(jī)模型產(chǎn)生一個(gè)從圓盤中心向外流的電流I。它用一根導(dǎo)線引出，導(dǎo)線帶有與圓盤相接觸的“電刷”。只要導(dǎo)線繞的適當(dāng)，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就有可能加強(qiáng)原來(lái)的磁場(chǎng)。且在圖中，一個(gè)圓盤內(nèi)的感應(yīng)電流圍繞著另一個(gè)圓盤的軸流動(dòng)。導(dǎo)線的這種繞軸的方法使得極性能夠發(fā)生倒轉(zhuǎn)。這樣對(duì)地磁極性倒轉(zhuǎn)的自然解釋，是別的地磁成因假說(shuō)都難以做到的。這種雙圓盤發(fā)電機(jī)模型從原理上闡明了地磁場(chǎng)起源的物理機(jī)制。4.4自激發(fā)電機(jī)理論的不足雖然自激發(fā)電機(jī)假說(shuō)在觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和理論研究上得到了較多的認(rèn)證，是目前被研究和應(yīng)用得較多的地球磁場(chǎng)模型。這個(gè)假說(shuō)能夠解釋地磁場(chǎng)的倒轉(zhuǎn)以及磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化等許多現(xiàn)象，但同時(shí)也面臨著巨大的質(zhì)疑。首先，在地核是什么與圖中的導(dǎo)線電刷相類似？其次原來(lái)弱的磁場(chǎng)產(chǎn)生的具體機(jī)制究竟如何？關(guān)于這些問(wèn)題的回答又有這樣幾種說(shuō)法：1）最初的微弱的磁場(chǎng)可能來(lái)自核內(nèi)化學(xué)不均勻性產(chǎn)生的弱電流，從而產(chǎn)生了弱的磁場(chǎng)；2）也有人認(rèn)為在太陽(yáng)系最初形成時(shí)，月亮即受到地球的引力成為它的衛(wèi)星。而月亮在被吸引到地球附近的過(guò)程中，地球表面的海洋出現(xiàn)強(qiáng)烈的潮水起伏，這種起伏所引起的巨大摩擦力，使地球溫度劇增，導(dǎo)致地心熔化，地心的巖漿在高溫及強(qiáng)引力的作用下出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的滾動(dòng)，結(jié)果產(chǎn)生了磁場(chǎng)；3）也有人然為最初的微弱磁場(chǎng)是受其他星體的影響而產(chǎn)生的。再次，這種自激發(fā)電機(jī)假說(shuō)還碰到了能源問(wèn)題。導(dǎo)體內(nèi)部電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)都要衰減，而古地磁的研究表明，已經(jīng)測(cè)定的最古老的磁性巖石，年齡為109 年量級(jí)，可見(jiàn)地球磁場(chǎng)在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里是最穩(wěn)定的，要維持這樣的磁場(chǎng)，就需要不斷提供能量。是什么能量來(lái)源能夠提供一個(gè)這樣穩(wěn)定的巨大的能量呢？目前仍不清楚。雖然自激發(fā)電機(jī)假說(shuō)與地核內(nèi)真實(shí)的地磁場(chǎng)的產(chǎn)生原因仍然有差異，但卻給我們以啟發(fā)。因?yàn)榇帕黧w發(fā)電機(jī)原理假說(shuō)不但能夠?qū)崿F(xiàn)極性的倒轉(zhuǎn)，也能夠解釋較多的地磁現(xiàn)象，所以受到了普遍的重視，是目前地磁研究中流行最廣的假說(shuō)。對(duì)它的進(jìn)一步研究還在繼續(xù)中。5總結(jié)關(guān)于地磁場(chǎng)的起源問(wèn)題，歷史上曾先后提出來(lái)過(guò)10多種假說(shuō)或理論，其大致可以分為五類。即磁化理論、感應(yīng)理論、電流理論、波動(dòng)理論和發(fā)電機(jī)理論，雖然目前仍然沒(méi)有一種假說(shuō)能令人滿意地解決地磁場(chǎng)的起源問(wèn)題，但是這些假說(shuō)開拓了我們的思維，拓展了我們的視野，都各有其部分的真理性。人類絕不會(huì)停止探索地磁場(chǎng)起源之謎的腳步，我們堅(jiān)信，地磁場(chǎng)的起源之謎中有一天會(huì)被我們所知，我們期待那一天的早日到來(lái)。注釋1 徐文耀著.地球電磁現(xiàn)象物理學(xué).M.北京:中國(guó)科技大學(xué)出版社，2009.30.160161參考文獻(xiàn)1Aubert J,Brito D, Nataf H C, Cardin P, Masson J p. A systematic experimental study of rapidly rotating spherical convection in water and liquid gallium J. Phys. Earth Plan.Int.,2001,128:51-742Benton E R.Hydromagnetic scale analysis at Earths core-mantle boundaryJ. Geophys.Astrophys.Fluid Dynam.,1992,67;259-2723Bloxham J , Gubbins D , Jackson A. Time-dependent mapping of the magnetic field at the core-mantle boundary J. J.geophys.Res.,1992,97:19537-19563.4Cain J C, Hendricks S J, Langel R A,Hudson W V.Proposed Model for the Internation Geomagnetic Reference Field J,1965.Geomag.Geoelectr.1967,9:335.5Chapman S ,Bartels J.GeomagnetismM.Oxford:Clarendon Press,1940.6Korte M ,Constable C G.Continuous global geomagnet