地磁场是怎样形成的?

地磁场是怎样形成的?

人们很早以前就对地磁现象有所认识。相传在公元前1000多年,我国就已发现了磁石的极性,公元前4世纪就能利用磁石指南,至11世纪中叶,北宋沈括所著«梦溪笔谈»已明确指出磁偏角的存在。

地磁场有许多奇特的性质,例如:地磁轴与地理轴并不重合,存在所谓磁偏角。地磁场并不总是恒定的,而是随时间作非常缓慢的变化,地磁场长期变化其磁极,每年以0.30米/秒的速度向西漂移。另外,据古地磁学研究表明,地磁场的极性会发生倒转的变化。有人曾估计,一次极性倒转的延续时间为4 600年,最晚的一次极性倒转发生在大约60万年前。

科学家们并不满足于对地磁现象的一般认识,他们还要追究地磁场到底是如何形成的。第一个提出地磁场成因的理论概念的是吉尔伯特。他在1 600年提出一个论点,即地球自身就是一个巨大的磁体,它的两极和地理两极相重合。他的理论过于简化,对许多地磁场的特性都不能给予解释。但是,他的理论的意义在于确立了地磁场与地球的关系,指出了地磁场的起因不应该在地球之外,而应在地球内部。

1839年,高斯在他的著作«地磁力的绝对强度»中,从地磁成因在地球内部的唯一假设出发,创立了描述地磁场的数学方法,使得地磁场的测量和地磁场的起源的研究都可用数学理论来表示。但是,高斯理论是一种形式上的理论,它不能也没有着眼于解决地磁场起源问题。不过,要建立地磁场的起源理论或假说,确立高斯型的数学理论还是必不可少的。

到目前为止,全部地磁场起源的假说可分为两大类:第一类假说是以地球表面上通过观测从实验上已经确定的物理定律为根据;第二类假说否定这些定律,认为对于地球这样一个宇宙物体,存在着不同于现有已知定律的特殊定律。

旋转电荷假说是属于第一类地磁场起源的假说。它假定地球上同时存在等量的异号电荷,一种分布在地球内部,另一种分布在地球表面,电荷随地球旋转,因而产生磁场。但是,这个假说的困难不仅在于如何解释电荷是怎样分离的,而且它与相对性原理也是矛盾的。因为观测者与电荷一起旋转,就观测不到电荷的运动。所以,这种假说是不能成立的。另外,还有人试图利用回旋效应来解释地磁场的成因,但也不能令人满意。

属于第—类的还有漂移电流假说、热电效应假说和霍耳效应假说等,但这些都不能很好地解释电磁场的奇异特性,所以也是不成功的。

属于第二类假说的一个例子是重物的旋转假说。1947年,布莱克特提出任意一个旋转体都具有磁矩,而与体内是否存在电荷无关。磁矩M与机械转矩P成比例。但是,直接证明旋转物体磁场的存在是非常困难的。现代测量磁场的技术能测出非常微弱的磁场,但也未观察到旋转体的磁效应。因而这一理论恐怕也不能成立。

在地磁场理论的深入研究中,埃尔萨赛最早提出了以地核为前提条件的地磁场假说。弗兰克则提出发电机效应理论。这个理论是属于第一类假说,它认为地核中电流的形成,应该是地核金属物质在磁场中作涡旋运动时,通过感应的方式而发生的。同时,电流自身形成的场就是连续不断的再生磁场,好象发电机中的情形一样,所以称为发电机效应理论。弗兰克的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程,解释了地磁场有一定的数值,但是在应用这种模型的时候,很难解释在地核中的这种电路是怎样经过圆形回路而闭合的。此外,这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用,而这种反作用是不允许涡旋分布在乎行于赤道面的平面内的。因此,应该寻求比较复杂的模型。

后来,布拉德、英格利斯等人发展了发电机理论,对地磁场的特性给了较好的解释,也能说明地磁场极性倒转的现象。不过这些模型还过于理想化,它给出的倒转周期与实际情况也不一致。

长期以来,人们致力于解决地磁场的起源问题,但由于对地球内部物质状态的物理过程的了解甚少,一系列理论问题尚未解决,地磁场起源至今仍然是一个没有揭开的谜团。