地磁场偏转及其产生的讨论

1、地磁场翻转问题及其产生的讨论1引言磁性是地球的基本属性之一，自古以来，人类就认识了地球的磁性，才有了中国古代四 大发明之一的指南针，而自从人类认识了地球的磁性以后，人们就开始通过不同手段来研究 这种磁场的性质.本文主要是以调研的方式，通过资料的阅读与摘录，讨论介绍了地球磁场 的倒转问题及一些可能的推断2地磁场概述地磁场有两个磁极，其S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近，但不重合，磁轴 与地球自转轴的夹角现在约为11.5度，1980年实测的磁北极位于北纬78.2度、西经102.9 度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东京139.4度（南极洲）。宏观上看，地球磁场与位于球心的磁偶极子

2、磁场十分相似；于是我们可以利用磁偶极子模 型来近似计算地球的磁场与磁场能量（本文这里就不做计算了），也可以用更准确的高斯球 谐分析的方法进行较准确的描述。而地球电场和地球磁场源自于地球的自转和地球上正负电 荷的非对等分布.地球自转带动地球上的静电荷（相对于在不停地自转的地球静止的电荷）相 对于地轴做匀速圆周运动就产生磁场.3地磁场翻转然而，地球不是理想球体，地球磁场的分布也不会像磁偶极子磁场那样简单分布，而且 地球本身也不是均匀磁化的球体，地球磁化还会受到周围环境的影响。从而这极大的复杂性 使得地球磁场有着远异于一般磁偶极子的特性。而地磁场的翻转就是其中很神奇的现象之。古地磁研究已证实地球存在

3、磁极倒转现象。在测定岩石的剩余磁性时，发现相当一批岩 石的磁化方向与现在的地磁场方向相反，于是就推测地磁场发生了 180的改变，原来的磁 北极转变为磁南极，磁南极则变成了磁北极。这种现象被称为地磁极倒转或地磁场翻转。事实证明，在地球历史上确实发生过这种变化，而且还一再地发生。磁场的变化分为两类：长期变化:由内部场源引起的缓慢的变化，如磁极倒转、磁极漂移; 短期变化:来源于地球外部场源引起的变化，如地磁日变、磁暴。而长期磁场变化中最为显 著的就是地球磁矩的衰减变化和地球磁场向西漂移，暨地球磁场翻转的直接原因。1）地球磁矩的衰减变化近1000年来，地磁场偶极矩大约减小了25 %其中，17 %是近4

4、00年来减小的.根据 德 国波茨坦地球物理所科学家的研究，地球自诞生以来，其磁场强度一直在发生细微变化， 近30年来，磁场强度减弱了约10%，这种减弱趋势似乎还在加速，近50年来速度越来越快。 南大西洋的磁场强度衰减表现得尤为明显，20年里减弱了1.0%，近地卫星被宇 宙高能粒子击穿的事故，90%发生在南大西洋上空。我们可以通过几个数据看一看，1835年，高斯计算得的地球磁矩8.5x10A22AmA2，而 1900年科学家测得的为8.32x10A22AmA2， 1980年为 7.91x10A22AmA2，2000年为7.78x1022Am2。经过简单的数据拟合表明，如果按 这个趋势以直线进行拟

5、合，将有：1皑”308413此8睥町口 88何聘d瑚91 Q 9踽9跖洱口9酣9时97I3河。tlme/yearsEquationy = a + b*xWeightNo WeightingResidual Sum of Squares0.00717Adj. R-Square0.9687ValueStandard ErrorIntercept16.631820.87832Pm （磁矩）Slope-0.004414.55E-04则以数据分析有：16.63182/0.00441=3771暨以此速度减少的话，3771年时，地球磁矩将会趋于0！磁场有可能会发生反转。但是对于磁矩数据测量，科学家指出，如果

6、按现在这种速度弱化下去，在1000年至2000 年内地球的磁场会不会消失呢？目前仍找不到太多的证据来证明这种推论。据科学家研究， 6000年前地球磁场曾经减弱到现今的水平，后来逐渐恢复，3001）年前又出现过一次磁场 衰减过程除了磁矩的测量数据，海洋磁条带异常也是磁极倒转的有力证据。从1940s开始，由于 军事上的需要对海底磁场进行了系统的观测发现以大洋脊为中心，两侧对称地交替分布着正 磁极性（磁极与现代的一致）与反磁极性（磁极与现代相反）的两类岩石；离扩张中心越远，岩 石年龄越老.为地球科学中的板块构造理论的出现，提供了重要的依据。2）对古地磁场的研究地磁场极性倒转的发现极大地推动了古地磁学

7、的发展。为了验证和研究古地磁的变化科学 家们在全球广泛开展了对火山岩、沉积岩、海底和湖底沉积的古地磁测量.由此产生的“地 磁极性年表”，为地质学提供了一个独立的时间标尺.3.323.703.924.054.254,384.50年龄 界限/ Ma0.020.03极性事件极性期拉尚事件布容正向期扎拉米洛事件吉尔萨事件 奥尔拉维事件留尼昂事件松山反向期凯纳事件马默思事件高斯正向期科奇帝事件努尼瓦克事件吉尔伯特反向期2.80 2.90 -2.943.06图1近4. 5 Ma地磁极性年表从图1可以看出，地球磁极倒转有不太规则的长短周期性，长周期约1 Ma，短周期o.2 一。.3 Ma,中间还有小的反复.

8、近期研究还发现，极性倒转不是瞬时骤然完成，而是经过一 定时间的过渡，在过渡期中，两极差异（整个磁场强度）逐渐减弱，直至消失再转为反性状态 增强.而一种地磁极性期平均可持续22万年，短的仅持续3万年，长的可达500万年。每 次磁极倒转过程仅持续数百年到上千年，此时表现为磁场强度大幅度减弱，磁极缓慢转动， 直到完全翻转，才达到稳定。2）地球磁场的向西漂移地磁极在地球表面的位置会长期、缓慢地向西漂移.据宋贯一 （2008）发表的“长期极移 的成因”Clo一文中可知，在现今太阳辐射光压、地球的自转和公转、黄赤交角的大小及地 球表面陆、海地理分布格局的条件下，在太阳光压激发周期为一年（回归年）时段内，由

9、于其 中极移运动存在有反向运动的原因，当极移运动完成一个周期之后，极移运动轨迹的年平均 位置落在了 CIO（国际极点）的西侧，即自转极的位置向CIO以西漂移了.由于这种漂移是 日一地间天然形成的能量（动量）相耦合的“摇摆”式物理机制引起地球产生自由章动造成的， 前一年所确定的地磁极位置也必然会与自转极一起向CIO以西移动.因此，只要太阳辐射 光压、地球公转和自转及黄赤交角存在，这种漂移都会缓慢地、长期连续不断地进行下去.由 此可以推断，当被确定的某一地磁极位置在地球表面沿纬向漂移180。之后，那时地球表 面所观测到的磁场方向与被确定的地磁极尚未漂移时地球表面有些岩石中记录下的磁场方 向正好相反

10、.近几十年来，长期极移是否存在?及长期极移和地磁极长期漂移成因还没有弄 清的情况下，仅从岩石中的磁性记录看来，似乎只有用地磁极性倒转来解释比较简明、合理， 尽管这种解释令人难以置信.在更早的地质年代，由于地球的公转和自转速度、黄赤交角的 大小比现今要大的多，及地球表面陆、海的地理分布与现今差异甚大，因此，与长期极移一 起运动的地磁极漂移速度比现今要快的多，其结果造成地球表面有些岩石中记录到的磁场方 向完全相反现象的发生频率将同步增加.显然，古地磁工作者在不同地质时期的有些岩石磁 性记录中观测到的磁场方向完全相反的现象，并不是当今绝大多数地球科学家所理解的是地 磁极性倒转所造成的.3）地磁变化有

11、害吗？科学家称，地球南北极颠倒一下，本不是什么可怕的事。关键是在两极翻转的过程中，赖 以保护人类免受太阳高能粒子强烈辐射的地球磁场将会完全消失，地球将整个暴露在各种致 命的宇宙射线下;并且会加热大气层上层，弓起全球气候改变;损坏所有位于地球近地轨道上 的导航和通讯卫星;此外还会使地球上所有的迁徙性动物失去定向能力。两极翻转过程中磁 场消失的时间到底会有多长，一直是科学家们争论的焦点。根据研究火山熔岩中的铁矿石， 一部分科学家认为地球磁场消失的时间将持续几千年，在这几千年内，地球将完全暴露在太 阳高能粒子流辐射的致命攻击中。然而另一些科学家则认为，地球两极翻转导致的磁场消失 最多只会持续几个星期

12、。当然，也有一些科学家并不认为地磁减弱是地球磁场方向颠倒 的前兆，他们认为这些只是地球磁场正常的波动，不必大惊小怪。也许，我们正处在一种两 极性颠倒的过程，或者这只是地球磁场波动的一个过程，地磁减弱到一定程度便会再次增强。 科学家现在还很难对地磁的“心脏”今后如何跳动做出具体预测，毕竟人们才只了解它的几 次跳动而已4地球磁场及磁极倒转成因的研究地球磁场成因的研究，从20世纪初开始至今已有近百年的历史.但在20世纪50年 代中期以前，没有一种假说能令人满意地解释地球的永磁性，比较公认的是:地磁场的形成 与地球的自转活动有关，而单凭地球自转不能形成地球磁场.20世纪50年代以来的深入研 究，倾向于

13、认为地球液核中的涡旋运动是地磁场的来源，基本上围绕着J.弗兰克提出的发 电机效应理论而展开.该理论认为地核中的金属物质在磁场中作涡旋运动时，通过感应方式 而产生电流，这种电流自身所形成的场就是连续不断的再生磁场，好像发电机中的情况一样， 并由法拉第概括成简化的发电机效应模型（图2）（扬诺夫斯基，1982）.进而，E.布拉德提出一 种反映在地磁场形成过程中地球液相外核中的涡旋排列模型（图3）（扬诺夫斯基，1982），它 是根据地核由固相内核和液相外核构成的这样一种构造提出来的.按照这种模型，地核绕轴 旋转的速度比地慢小.二者转速之差与西向漂移（核对慢）速度相吻合，而液核部分中的涡旋环 便落在子午

14、面内（扬诺夫斯基，1982）.E .布拉德还研究了关于核慢之间相对转速差值达到多 大才能满足地核内产生再生磁场的问题，经计算认为大约是0.01 cm /s.发电机圆盘转轴 (相当于地球自转轴)图2地磁场的发电机成因模式Fig. 2 Generator model for geomagnetic field图3地核中涡旋的排列Fig. 3 Arrangement of vortexes in Earth core在发现了地磁场磁极可以发生倒转这个现象后，人们对地磁学的研究便开阔了新的思 路，以新的方式来认识地球的结构，并将地磁极倒转作为重点研究的问题.布拉德最先对地 球磁极倒转的成因进行了解释研

15、究，他在仔细地分析这种既定条件的单轴发电机效应的机制 之后指出，在任何运动条件下，这种模型都不能自发地将其感应磁场的方向改变成相反的方 向.但这不能排除改变其内部结构及边界条件后不会发生类似现象.S.朗科恩从理论上探讨 了磁极倒转这个问题(扬诺夫斯基，1982).他以E.布拉德的结论为出发点，在比较普遍的形 式下解决了地磁场磁极倒转的理论可能性问题，即在地核中，由核、慢之间相对角速度旋转 差异产生内涡流场，根据磁流体动力学方程并不排除地核磁矩方向改变成相反方向的可能性. 根据地磁学的磁流体动力学理论，偶极子磁矩是由地核里的电流决定的，因此，为了解决有 关地磁极反转可能性的问题，必须把磁矩表示为

16、在地核中流动的电流密度的函数他计算的 地球磁偶极子的磁矩为：8Mz =n 1(2n + l)c2JrirFnMpnMdr.(1)式中，r1和r2是外地核的2个界面.由式(1)可以得出，M.可能为正号也可能为负号，这取 决于函数凡(r)或者T.(r )有什么样的符号.但是，函数凡(r)的形式取决于地核里的涡流运动速 度的函数形式，而函数P. (r)的形式则取决于环型磁场的函数形式.因为环型磁场随时间变化 是个常数，所以M的数值和符号的变化只和函数F_(r )有关.可是，关于在什么样的条件下 函数F_(r )才改变自己符号的问题，仍然是这一理论中悬而未决的问题.张少泉(1987)在地球物理学概论一

17、书中论述地球磁场成因时提出维持地球偶磁极 场在漫长的质年代里保持稳定的能源问题比机制问题更重要，因为能源问题不解决，机制的 学说就不能被普遍接受.关于能源问题，书中提出3种可能，它们可以使液态地核保持充分 的转动和涡旋，以维持发电机运转和反运转.这3种能源，一是重力分异和物质相变等因素， 使得固态内核不断扩大，相应地，使液态外核不断缩小，在这个过程中，要放出热量，提供 能量维持流体运动;二是地核中长寿命放射性元素释放的热能，使液核物质受热膨胀，从而 产生对流;三是地慢与地核的自转轴向运动速率差异.他认为前2种可能性很难成立，而第3 种，即地慢与地核的自转轴向速率差异是最有希望的能量来源.近些年

18、来，对于产生地球磁场极性倒转原因的研究，大家都把焦点放在地核液态外核) 与地慢圈层之间转速差异变化上.这是不难理解的.因为既然认为地球基本磁场是由核慢之 间转速差异的祸合而引起的液核涡旋运动产生的，那么，当这种藕合条件(转速差异状态)改 变时，涡旋运动及地磁场状态也会相应改变.但对造成核慢之间转速差异变化的形成机制则 众说纷纭.有人推测是由于液核层中上下热对流速度的快慢变化所引起(热对流快时，液核旋 转变慢，反之变快)，有人则想象可能是由于突然有大量冷物体迅速与液核接触，改变了其 中的热流状态(朱日祥等，1999).在一些对地磁极性转换时期地磁场强度变化特征的研究成 果中，有人认为地磁极性转换就是地磁场强度周期性变化的结果.由于地磁极性倒转与古气 候变化及地质突变事件有较明显的对应关系，在寻找它们之间的内在联系时，人们自然会联 想起星地碰撞与地磁极性倒转的关系.Glass and Heezen (1967)提出过0.7 Ma前陨石撞 地球造成地表生物灭绝，并且使地核流体运动状态发生变化，从而引起地磁极性倒转.他们 认为其形成机制是巨型陨石撞击地球使大气中产生大量尘埃引起地表气温下降和冰期出现， 导致极地冰量增加和海平面下降，造成地球转动惯量和转速变化，从而使