第十五节 地球内部的物理性质

606 地球的磁性

§ 606－ 1 地磁和地磁要素

地球是一个磁化球体。它仿佛像一块巨大的磁石，磁针在地球上受到磁力的作用，指向磁力线方向。磁力线的方向因地点而不同。地面上有二个地点的磁力线是垂直的，以至磁针的方向垂直于地面，那里是磁性最强的地方， 叫做磁极。按地理学上的习惯，把位于北半球的磁极叫磁北极，位于南半球的磁极叫磁南极。南北磁极的连线叫磁轴。在南北磁极之间，有一个地带的磁力线是水平的，以致磁针的方向平行于地面。那里是磁性最弱的地带，叫磁赤道。

有磁力作用的空间叫磁场。表征磁场特征的一个要素是磁场强度，通常用它对于一个单位磁极产生单位作用力的强度为单位，叫奥斯特；同时也用磁感应强度的单位，叫高斯（两者在真空中相等）。现采用国际单位制中磁感应强度的单位特斯拉为磁场强度单位，简称特，国际符号 T。1 高斯＝10- 4 特斯拉。1 特（T）＝106 微特（μT）。地球磁场是弱磁场。地面附近的磁场强度，大约只有 0.5×10-4T，或 50μT。赤道附近较弱，约 30—40μT；两

① 首先试图解释地球表面海陆分布的这些饶有趣味的特征的，是奥地利科学家魏格纳（ 1880—1930）提出的“大陆漂移说”，后来又相继出现“海底扩张说”和“板块构造说”。

极较强，约为 60μT。它因时因地

而发生变化的量就更微弱了。地球磁场强度（F）在空间是一个有方向的量（图 6 －19）。它的方向对于水平面的俯角叫做磁倾角（I）。

有了磁倾角，地球磁场强度就有它的水平分量（H）和垂直分理（Z）。地球磁场强度水平分量的方向，一般不同于地理上的南北方向，即在地

理子午线与地磁子午线之间，总存在一个偏角，叫磁偏角（D）。习惯上，人们把地理子午线看作正的，而把地磁子午线看作偏的。磁偏角的东西方向， 因磁针的南极和北极而不同。北极偏东，南极就偏西；反之亦然。在习惯上， 磁偏角是指磁北极对于地理北极的偏离。有了磁偏角，地球磁场的水平强度， 就有它的北向分量（X）和东向分量（Y）。图 6－19 地磁要素以上这些都是地磁要素。不论是 X、Y、Z，还是 H、I、D，都可以确定地球磁场强度的大小和方向。在地理上，地磁要素中以磁偏角最为重要，因为使用磁针定方向时， 必须知道磁偏角的大小。我国是世界上最早使用磁针的国家，早在战国时代， 就已经知道天然磁石的吸铁性和指北性。北宋的沈括（1032—1096）已经发现磁针所指的方向，并非真正的南北方向。

§606－2 地磁要素的分布

为了说明地磁要素的分布，有必要把地球总磁场分为偶极磁场和非偶极磁场两部分。偶极磁场是地球的基本磁场，它是全球性的对称磁场，在地球总磁场中约占 80％；非偶极磁场是地球的变化磁场，约占地球总磁场的 20

％。

为了同总磁场相区别，偶极磁场在说明磁场要素的分布方面，有自己的一套专用术语：它的两极叫地磁极，以别于总磁场的磁极；它的赤道叫地磁赤道，以别于总磁场的磁赤道；地磁南北两极的连线叫地磁轴，以别于总磁场的磁轴。地磁轴通过地心，但不同地轴重合，二者之间成 11.5°的交角（图6－20）。因此，偶极磁场又称为倾斜地心偶极磁场。地磁南北极分别位于南北纬 78.5°，其经度分别为 110.9°E 和 69.1°W；地磁赤道与地理赤道相交于 20.9°E 和 159 1°W。

偶极磁场把地球看作均匀磁化球体。因此，它的地磁要素的分布是简单和有规律的：地磁南北两极互为对蹠点；地磁赤道是距地磁南北两极各为 90

°的大圆；地磁强度和地磁倾角，都随地磁纬度（一地对于地磁赤道的方向和角距离）的增高而增大。在地磁赤道上，地磁强度最小，地磁倾角为 0°； 到地磁两极，地磁强度最大，地磁倾角达 90°。

地磁偏角的分布，即使对于偶极磁场来说，也是比较复杂的，因为它不仅与地磁两极有关，而且还同地理两极有关。地磁两极所在的地理子午线上， 地磁偏角为 0°或 180°，该子午线称为无偏线。无偏线分全球为东偏和西偏两半球。在东偏半球，地磁北极位于地理北极的偏东方向，地磁偏角都是东偏角；而在西偏半球，地磁北极位于地理北极之西，地磁偏角都是西偏角（图6－21）。然而，地磁偏角的大小因地而异，并不是简单地因经度或纬度而不同。

由于非偶极磁场的存在，地球磁场实际上是一个倾斜偏心偶极磁场。它的磁轴偏离地心约 400km，因此，地磁要素的分布，只能是大体上符合上述规律。例如：

——磁北极和磁南极并不互为对蹠点。据 1975 年的观测，磁北极位于

76°06′N，100°W（在加拿大北部巴瑟斯特岛附近），南磁极位于 65°48

′S，139°24′E（在南极地区）。

——磁赤道不是大圆，也不与两个磁极等距，而是一条环绕全球的封闭曲线：一部分在北半球，另一部分在南半球，离地理赤道都不远。

——磁强与磁倾角大体上自磁赤道向磁极增加，自 30—40μT 增至 60— 70μT。但是，这种变化没有严格的规律性。

——无偏线并不与子午线重合。它只分全球为东偏和西偏二大部分，而不是两个半球。

图 6－20 磁极、地磁极、地理极和磁赤道、地磁赤道、地理赤道的区别图 6－21 西偏半球（左）和东偏半球（右）这种划分假定地球是一个均

匀磁化球体

由于地球不是均匀的磁化球体，个别地区的地磁要素的量值，可以大大地不同于它周围地区的正常数值，这叫地磁异常。这种现象以俄罗斯的库尔斯克地区最为突出。那里的磁场强度是磁极的 3 倍，最大的磁倾角达 90°， 最大的磁偏角达 180°，即磁南北与地理南北完全相反，称之为“库尔斯克磁针错乱”。造成这种异常情形的原因是地下蕴藏着丰富的磁铁矿。所以， 地磁异常的研究，对矿藏（特别是铁矿和镍矿）的勘探工作，具有重要的意义。

§ 606－3 地磁要素的变化

地球磁场是在不断变化的。它有长期变化和短期变化。地球磁场的短期变化部分，即上述的地球变化磁场；除去短期变化部分，便是地球基本磁场， 即上述的偶极磁场。

地磁要素的长期变化，来源于地球内部的物质运动。它首先表现为地磁场的向西漂移。例如，0°磁偏线与赤道的交点，近 400 年来已西移 95°。其次，磁场强度有稳定的衰减，近百年来，基本磁场强度衰减了 5％。如果照此速度继续衰减下去,那么,基本磁场将会在 2 千年后消失。另外,磁极也在移动，如地磁北极的纬度逐年递增 0°.004；其经度每年向西增加 0°.007。

地磁要素的短期变化，来源于电离层及太阳活动的影响，变化形态比较复杂，分平静变化和干扰变化。

平静变化是经常性和周期性的变化，有太阳日变化、太阴日变化和季节变化。来自太阳的带电粒子，影响地球大气电离层的状况，从而造成各地的磁场以太阳日为周期的变化。地磁强度的水平分量的太阳日变化，可达 0. 03

——0.04μＴ，约为水平分量的 0. 5 ％；地磁偏角的变化可达 10′。月球对于地球大气的潮汐作用，使得一部分大气以太阴日为周期，运行于地球各部分之间。这种变化包括大气电离层的变化，因而造成各地磁场以太阴日为周期的变化。它的变化幅度很小，磁场强度水平分量的变幅只有千分之几 μ Ｔ，约为水平分量的 0. 05％；地磁偏角的变幅不到 40″。太阳直射点的南北移动，以及随之而来的太阳辐射能在地球上的分布的季节变化，造成地磁要素的太阳日变化的幅度因季节而变化。一般地说，夏季太阳日变化的幅度较大，冬季较小。

地磁要素的十扰变化要复杂得多。小的干扰多半是区域性的，次数频繁， 变幅很小。大的干扰是全球性的，次数较少，平均每年 10 次左右，变化幅度较大。特大的干扰称磁暴。磁暴发生时，磁针不安地扰动不止；在几小时到几日内，磁场强度的变化可达十分之几甚至几个μＴ。磁暴的发生与太阳活动直接相关。来自太阳的高能粒子，不仅干扰地球磁场，同时破坏大气电离

层结构，中断无线电通讯，高纬度地区出现极光。

§ 606—4 地球磁层和辐射带

在地面以上不太远的地方，地磁效应的形态同一个巨大磁棒所产生的效应很相似，地磁场是对称的。人们还曾认为，地磁场是无限延伸的。近期的空间探测表明，在很远（几个地球半径以外）的地方，情形远非如此。因受太阳风的作用，地磁效应被限制在一个口袋形的范围内。地磁场既不是对称的，也不是在所有方向都是无限延伸的。

地球处于太阳风的劲吹之中。太阳风好像要把地球磁场从地球上“吹” 走似的，使磁力线发生向后弯曲。在地球的向日面，地球磁场被压缩成大约10 个地球半径的一个包层（太阳活动强烈时，只有 4—6 个地球半径）；而在地球的背日面，地球磁场延伸得很远，形成一个长长的磁尾，其长度可达数百甚至超过一千个地球半径。这样，地球磁场在太阳风中“挖”出一个口袋形的空洞，叫做地球磁层（图 6—22）。这是继地球大气和电离层之外， 地球的第三道保护层。它起着“挡风”的作用。

地球磁层的边界称磁层顶。磁层顶与太阳风高能粒子之间，还存在一个过渡带，其厚度约 3—4 个地球半径。它像剑鞘一样套着地球磁层，故被称为磁鞘，实际上就是太阳风与地球磁场相遇而形成的弓形激波。这个激波的波阵面，就是磁鞘与太阳风的分界面。

一部分进入地球磁层，或者说被地球磁层俘获的高能粒子，则被禁锢在两个被称为辐射带的范围内。这两个辐射带是物理学家范·艾伦（Van Allen） 于 1959 年通过人造卫星的实验发现的，故被命名为范·艾伦辐射带。它分内外两带：内辐射带高度在 1—2 个地球半径之间，宽约 5000km，范围限于南北磁纬 40°之间，所观测到的主要是高能质子；外辐射带的高度约为 3—4 个地球半径，其纬度范围为南北磁纬 50°一 60°之间，所观测到的主要是高能电子。辐射带的范围和形状，受地球磁场的制约，并且因太阳活动而变化。至于这些粒子是如何陷在这二个区域里，其详细物理过程尚未清楚。

图 6－22 地球磁层和辐射带

§ 606—5 地球磁场的成因

地磁要素在地球上的分布是有规律的。例如，地球上有磁极和磁赤道， 地磁强度和磁倾角大体上因地磁纬度而不同；磁偏角的分布虽然复杂，但也有规律可循。地球磁场大体上象一个均匀磁化球体所产生的磁场。前面提到， 它同一根磁棒所造成的磁场十分类似。因此，人们曾经设想，地球可能就是一个巨大的磁棒，即地磁场的形成是由于地球内部的磁铁。一般认为，地核的化学组成主要是铁和镍，而这二种元素都是可以磁化的。

乍看起来，这种说法似乎是言之成理的。但是，随着物理学和地球科学的发展，这个说法就站不住脚了。磁铁之所以具有磁性，是因为磁铁内部分子的有规律的排列。然而，它的存在是有条件的。这个条件就是温度不可过高。随着温度的升高，分子运动加剧，它的这种规律性的排列便遭到破坏， 磁铁便失去了磁性。这个临界温度叫居里点。铁的居里点是 770℃，而地核温度在 2 000℃以上，远远超过了居里点。如果地核中的铁和镍曾经有过磁性，那么，随着地内温度的升高，它的磁性早该消失了。

旧的假说遭到否定的同时，一个新的假说产生了。我们知道，电流在导线中通过会产生磁场，于是就把地球磁场归因于地核中的电流：设想地球外

核本来就是一个导电的流体，而且存在着微弱的磁场，如果处于融熔状态的铁镍物质发生对流运动，这个磁场就会大大加强起来。看来这个说法可能是有前途的，但它迄今仍是一个假说而已。

图 6—23 地磁场的成因的一种设想：地核物质的运动造成磁场