异常的地磁

我们知道，地球像是一块大磁铁，有很弱的磁场；北磁极在地理南极附近，南磁极在地理北极附近。所以磁针都指向南北。

1874年，俄国科学家斯米尔诺夫在该国库尔茨克地区偶然发现一个奇怪的现象：他的磁针并不指向南北！这种情况叫地磁异常。

是什么原因使地磁异常呢？他进行了分析，认为这预示着该地区有可能存在着巨大的天然磁铁，其磁力比地磁更强，同时也预示着地下可能存在着巨大的磁铁矿。不过，鉴于当时的条件不成熟，这一铁矿未能发现。

伟大的十月革命后，苏维埃政权诞生。根据前述史料，1919年列宁指示对该地区进行地球物理勘探。1923年，第一个钻孔在163米深处找到了巨大的铁矿。此事对地球物理勘探方法的迅速发展起了重要的推动作用。

地磁的起源和地磁磁极像一个扑朔迷离的谜团，在历史上曾历经多次失败的推测，直到1996年上半年才有了一个较为圆满的谜底：美国新墨西哥州洛斯阿·拉莫斯国立实验所加里·格拉茨迈尔和洛杉矶加利福尼亚大学保罗·罗伯茨进行了长期而复杂的计算机模拟实验研究后得知，以岩石和坚固金属为核心的地球3000～5000千米深处有一个很厚的液体金属层，这金属层绕着地心转，但转速很慢，低于地球自转的速度。这一转动的液体金属层形成一个环形电流，所以形成地球磁场。研究人员在用计算机进行3个月的计算还惊喜地发现，模拟的地球磁场南北还会颠倒过来，这与地球磁场的换向不谋而合。地球磁场的换向周期很不稳定，一般约4～100万年，最近一次换向是在77.5万年以前。他们对换向原因的解释是，坚固的核心和它周围的液体层是两块相对的磁石，但随着搅动液体磁石的对流力的变化，液体磁石就会倒换，即南北极颠倒。虽然以上学说仍需实践证实和检验，但比以前的几种学说都要成熟得多。

以前几种不成熟的学说如下：

①“地心磁体说”：认为地核和地幔内存在一块天然磁体，所以地球有磁场。由于地核和地幔的温度都很高（地核界面约2400K，100千米深处的地幔约1500K），大大超过了铁和镍的居里点（分别约1043K和631K），所以这一假说不能成立。

②“导电球磁体说”：由于探空火箭发现靠近地表有一径向电场，电场方向向下，所以地球表面带负电荷（计算约为5×105库仑），地球外导电层带正电荷，其间以厚约50千米的不良导电层隔开。由于地球自转形成自东向西的环形电流，和外导电层正电荷随地球自转而产生的环形电流都形成磁场，其总和就是地球磁场。但计算表明，这两个磁场都比实际地磁场弱得可忽略不计：实际地磁场约5×105特斯拉；地球环形电流磁场约10-13特斯拉，外导电层环形电流磁场也微不足道。

③“太阳风感生电流磁场说”：1958年，美国詹姆斯·范·艾伦小组由“探险者”和“先锋”号卫星发现地面上空的两条宽大辐射带（当时人称“艾伦辐射带”），后来的卫星证实实际仅是一条辐射带，此后便称为磁层。由于太阳风中的高能带电粒子（主要是质子和电子）高速进入磁层，会受到洛仑兹力而偏转，在磁层顶部形成电流，其方向与地球自转方向相同。这一电流在地球表面产生的磁感应强度即是地磁场。由于太阳风会因面对太阳或背离太阳而变，因而地磁场也会变化的，但实际地磁场却相对保持恒定。所以，这一假说也未根本解决地磁起源问题。

④“自激发电机说”：认为地球基本上是一个导电流体球，地核中原来就存在像银河中某处存在的那种弱磁场，液态地核中持续发生差异运动或对流；按磁流体力学规律，地核物质和上述弱磁场相互作用，引起自激发电机效应，使原弱磁场加强而形成地球磁场。但这种假说未经证实，也不能解释地磁南北磁极会颠倒的变化。地球磁场的磁极颠倒的原因是什么？这也是1997年第4期《自然》杂志载文中当今世界97个物理难题中的第17个难题。

1996年9月18日，《参考消息》登载了日本文部省核聚变研究所一个研究小组负责人佐藤哲也的研究成果：他们用电子计算机模拟实验表明，地球是由最深部的高温铁块——内核（热源）及其外部流动的铁等构成的外核（流动体）构成。热源的热变成能源，在外壳形成几个柱状等离子旋涡，复杂的运动产生电流，从而形成地球磁场。这与前述美国格拉茨迈尔等关于地球形成原因的说法有一些相似之处。