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    地磁场的形成与磁极反转

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      麦克斯韦

      科普驿站  第六十三期

      主题:地磁场的形成与磁极反转

      科目:物理

      难度: B2

      时间:2020.4.3

      讲师:水镜

      在开始正题之前,还是照例来一段废话:相信许多人都有这样的疑问,什么是地磁场?地磁场是怎么形成的?它是永恒不变的吗?关于这几个问题,笔者在下文中将会具体解答。


      好了,废话结束,让我们进入正题吧。


      我们都知道,地球存在着一个磁场,这个磁场覆盖整个地球,为我们的生活提供着便利与庇护,但地磁场究竟是什么呢?


      地磁场来自地核,实际上我们也可以认为就是地核制造了地磁场,它从地球诞生后就一直存在着,今后貌似也会一直存在着。从这里来看,我们似乎可以认定地核是个永磁体。但是,根据居里夫人的研究来看,永磁体并不耐高温。所以,我们认为地磁场是一个电磁场,换而言之,地核并非永磁体。


      在这里,笔者要引入几个原理及相关概念: 


      我们知道,地磁场的形成并没有什么定论,都还只是学说理论而已。已有的学说五花八门,比如永磁体学说、内部电流学说、电荷旋转学说、压电效应学说、旋磁效应学说、温差电效应学说、旋转体效应学说、磁力线扭结学说、霍尔效应学说、电磁感应学说等等,而我要介绍的是其中一种比较主流、比较简单、比较可信的学说——发电机原理学说。


      发电机原理说白了就是电磁感应。在这个学说中,人们相信地球磁场是由于地核外核中熔融铁、镍的对流,以及整个行星自转的科里奥利力作用造成的。当导电流体流经已形成的磁场时,会产生电磁感应效应及感应磁场(地核地幔几乎都是导电流体),而产生的感应磁场又对原磁场有相互补偿的作用。但这个学说只是简单解释了为什么会有强磁场,并没有说明地磁到底从何而来。


      我们都知道,地磁极其实是会移动的。根据地磁场起源理论,地磁场磁极之所以发生移动,是由于地核自转角速度发生变化而引起的,而现在的地核的自转速度要大于地壳的自转速度。


      由于地球向月球传输角动量,地球的自转角速度将会越来越小,而地球自转角动量的变化首先反映在地壳上。因此,就出现了地壳自转速度小于地核自转速度的情形。地核必然要通过地幔软流层物质向地壳传输角动量,结果将会是地核的自转角速度逐渐减小,地壳的自转角速度逐渐增大——地壳自转角速度将大于地核自转角速度。这形成了地磁场,也就是之前提到的原磁场。而原磁场发生电磁感应,就形成了我们现在的地磁场。


      看到这里,大家也许会觉得本文不难理解啊,哪里需要什么数理知识呢?但其实上文的内容只是作为一个铺垫罢了,下文开始才是本文的重头戏。


      现在,在这里笔者也同样引入几个概念:首先是极移和地磁偶极子。地球极点相对于瞬时极点的运动被称为极移,极移反映的是地球内部的变化。而地磁场地心偶极子和偏心偶极子的变化就是地磁变化的主要特征(这里的地磁偶极子可以类比电偶极子,在此不多作赘述),由此我们可以得知,偶极子磁场、偏心偶极子磁场与地球内部的物理变化有关,通过这些也可以描绘导电率高的地核流体的运动过程。


      通过数据研究,我们可以认为电磁核幔耦合可能是极移的10a(a指代年的意思)尺度波动的机制。科学家们经过研究得出一个结论:地磁急变发生的特征时间与地磁极点运动偏离简单钱德勒晃动轨迹的特征时间相当(关于钱德勒晃动,还请各位自行百度,本文不多作赘述)。我们这里利用gufml模型(即地磁场球谐模型,还请各位自行百度,本文不多作赘述)和IGRF模型(国际参考地磁场模型)来进行下一步的研究。


      下面我们将以北极为例,来分析磁极的移动。由于大部分关于地磁场的物理现象都相对于地磁轴对称,所以我们可以根据南北磁极采用地心坐标系构造一个地磁坐标。鉴于地磁南北极的变化也就是地磁偶极子磁场方向的变化,所以在地磁场的球谐分析里,偶极子磁矩M、偶极子北极的地理余纬度θ0和地理经度λ0可以通过n=1的三个高斯系数来计算:

      地磁场的形成与磁极反转


      这里的R指的是地球平均半径,μ0指的是真空中的导磁率,而偶极子北极的地理纬度就是θ=π/2-θ0。

      接下来,为了更准确的描述主磁场,笔者将会使用偏心偶极子磁场模型。在这个模型里,磁轴平行于偶极子轴,但磁心并不是地球的地心,而是存在一定的偏离。地心磁偶极子磁极的移动反映了偶极子轴与地球自转轴夹角的变化,而偏心偶极子磁极的移动是地磁场中偶极子成分与非偶极子成分变化的综合体现。


      这里我们用偏心偶极子来描述地磁场,由球谐分析的高斯系数,我们可以导出偏心偶极子位置的计算公式。在偏心偶极子磁矩和方向与地心偶极子相同的前提下,用n=1和n=2的八个高斯系数可以计算出偏心偶极子的位置参数。


      我们可以通过已知的实验数据来测算一个大概的地球磁极位置,并根据数据来预测磁极的移动,而磁极的反转,不外乎就是几千年上万年的移动。


      本次科普就到这里,谢谢大家!

      参考引源

      [1] Vestine, F. H. et al, 1963, Integral and spherical harmonic analysis of the geomagnetic field for 1955,J. Geomag. Geoelectr, V. 15, No. 2.

      [2] Nagata, T. 1965, Main characteristics of recent geomagnetic secular variation, J. Gcomag. Geoelectr,V. 17, No. 3–4.

      [3] Fisher, R. A. 1953, Dispersion on a sphere, Proc. Roy. Soc. London, A217, 295-305.

      [4] Smiith, P.J,1967, The intensity of the ancient geomagnetic field: A review and anaJysis, Geophys. J.Roy. Astrom. Soc. 12, 213-362.

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      喜好天文学时空这一论题的电气工科生。时间之矢,指于无尽。

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