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地磁场

Wikipedia · 2026-07-21 维基百科 👁 1 阅读

磁場的電腦模擬。]]

地磁場，即地球磁場，是源自於地球內部，並延伸到太空的磁場。磁場在地表上的強度在25－65微特斯拉（即0.25至0.65高斯）之間。粗略地說，地磁場是一個與地球自轉軸呈11°夾角的磁偶極子，相當於在地球中心放置了一個傾斜了的磁棒。目前的地磁北極位於北半球的格陵蘭附近，實際上它是地磁場的南極，而地磁南極則是地磁場的北極。地核向外散發熱量時，引起外核中熔融鐵的對流運動，進而產生電流，地磁場即是此電流所致。這種形成天體磁場的原理，稱為發電機理論。

南北磁極通常位於地理極附近，但其位置在地質時間尺度上可以有較大的變化。這種變化極其緩慢，不足以干預指南針的日常使用。不過，平均每幾十萬年會發生一次地磁逆轉，即南北磁極突然（與地質時間尺度相比較）互相換位。每次逆轉都會在岩石中留下印跡，這對古地磁學研究十分重要。以此所得的數據有助科學家了解大陸和海床的板塊運動。

磁層指的是地磁場在電離層以上的影響範圍。它能夠向太空延伸幾萬公里，並且阻止太陽風和宇宙射線中的帶電粒子損毀地球大氣上層，因此使得阻擋紫外線的臭氧層不致消失。

重要性
地磁場能夠使大部分太陽風偏轉方向。沒有了地磁場，太陽風中的帶電粒子就會剝去阻擋紫外線的臭氧層，生物體也就會受到紫外線的侵害。其中一個大氣剝離原理是，氣體粒子被困在一個磁場泡之中，磁場泡再被太陽風「吹走」。從火星大氣二氧化碳因太陽風流失的速度推算，可推斷火星大氣層所剩無幾，是由它磁場的喪失直接導致的。

古地磁學是對地球過去磁場的研究。地磁場的極向會在火成岩中留下印記，所以當海底擴張時，每次地磁逆轉的印記會從中洋脊向外移動，在海床上形成多條與中洋脊平行的條狀結構。古地磁學家能夠利用非逆轉期間較為穩定的地磁極向，推測大陸漂移的歷史。科學家還可以利用地磁逆轉來判斷岩石和沉積物的年代，這種研究稱為磁性地層學。地磁場會使地殼礦物磁化，其所造成的磁異常可用於勘探金屬礦藏。

人類最早在公元11世紀便已能利用磁性指南針判斷方向，並在12世紀更進一步用指南針導航。雖然地磁偏角會隨時間漂移，但這種移動的速度十分緩慢，不足以干擾普通指南針的導航作用。諸多生物物種都具有磁感的能力，包括鴿子和某些細菌，並用之判定方向和導航。

主要特點
數學描述
在任何空間點上的地磁場可用一個三維矢量來描述。測量矢量方向的最基本方法，是用指南針判斷磁北極的方向。該方向與正北方之間的夾角稱為「偏角」（），與地平面之間的夾角則稱為「傾角」（）。磁場的強度（）與磁鐵所受的磁力成正比。另一種描述方法是北（）、東（）、下（）坐標。特斯拉是量度磁場強度的國際單位制單位。地磁場的強度在25,000至65,000 nT（0.25至0.65 G）之間（一個磁力较强的冰箱贴的磁场強度約為）。

磁場強度的等高線圖稱為「力線圖」。世界地磁模型顯示，地磁場強度的整體趨勢是從兩極至赤道逐漸減弱，強度最低處位於南美洲一帶的南大西洋異常區，最高處則位於加拿大北部、西伯利亞以及澳洲以南的南極海岸。

File:World Magnetic Field 2015.pdf|強度
File:World Magnetic Inclination 2015.pdf|傾角
File:World Magnetic Declination 2015.pdf|偏角

偶極子近似
地表附近的磁場可以較準確地近似為一個位於地心，與地球自轉軸呈11°夾角的磁偶極子。之所以有這種似乎南北顛倒的說法，是因為磁鐵的北極會與另一塊磁鐵的南極相吸。因此如果把地核想象為一個大磁鐵，那麼指南針北極所指向的，其實是「地核磁鐵」的南極。

地磁兩極的位置有局部和全球兩種定義。局部定義是磁場線垂直於地表之處，這可以通過測量地磁傾角來判斷：地磁北極的地磁傾角為90°（正下），地磁南極則為−90°（正上）。兩極各自會獨立移動，並不一定在地球的對蹠點上。移動速度時快時慢，地磁北極在2003年達到每年40公里的移動速度。自1830年代起，地磁北極一直向西北方移動，從1931年的加拿大布西亞半島開始，至2001年以外600公里處。

太陽風可以施加壓力，一旦抵達地球大氣會對它進行侵蝕。不過，地磁場也會施加壓力，它對太陽風所施加的壓力可保護大氣免受直接衝擊。磁層頂是太陽風壓力和地磁場壓力相互平衡之處，這是磁層的邊緣。磁層的形狀並不對稱，其面對太陽的部分向外延伸約10個地球半徑，背對太陽的部分則是一條延伸超過200個地球半徑的磁尾。

除了太陽風以外，地磁場還會阻擋宇宙射線。宇宙射線含高能帶電粒子，主要來自太陽系以外，其中不少成分已被太陽的磁場阻擋在太陽圈（太陽的磁場影響範圍）以外。

一部分帶電粒子能夠進入磁層。它們繞著磁場線做螺旋運動，在兩極之間每秒來回反彈幾次。陽離子往西緩慢漂流，陰離子往東漂流，形成環狀電流。這一電流會減弱地表的磁場。

變化
對澳洲古太古代熔岩和南非礫岩的研究顯示，地磁場在34.5億年前就已存在。

短期
。]]

地磁場變化的時間尺度短至毫秒，長至百萬年。較短的變化主要來自電離層和磁層中電流的日常波動和磁暴。時長在一年以上的變化反映地球內部的變化，特別是富含鐵的內核。

從THEMIS任務所獲得的數據顯示，當太陽和地球的磁場相互對齊時，地磁場的強度會減弱。該結果與此前的假說相反。

長期
「長期變化」指的是時長在一年以上的地磁場變化。地磁偏角在過去幾百年來偏移了幾十度，

地磁場偶極子的方向和強度都會隨時間變化。過去200年間，磁偶極強度以每百年6.3%的速率減弱。

在長期變化中，一種不可用磁偶極子描述的顯著特色是，地磁場以每年0.2度的速率向西漂移。全球各地在不同歷史時期的漂移程度都有所不同。全球平均的漂移方向自公元1400年起向西，1000年至1400年間則向東。

在有地磁觀測站記錄之前的地磁場變化可以通過考古和地質勘探推算出來。這種變化稱為「古長期變化」。記錄顯示，地磁場在長時間內變化較小，但偶爾會發生大幅度的和逆轉。

地磁逆轉
地磁場可以大致近似為與地球自轉軸對齊的磁偶極子，有時候，地磁南北極會互換位置。在一些玄武岩、海床沉積物和海床磁異常中，可以找到「地磁逆轉」現象的證據。逆轉並無週期性，兩次逆轉之間的時長從10萬年至5000萬年不等。離當今最近的一次地磁逆轉發生在78萬年前，稱為布容尼斯－松山逆轉。地磁偏移是一種類似的現象，但逆轉無法完全發生，最終極向不變，如41,000年前冰河時期期間發生的拉尚事件。

過去的地磁場主要記錄在具有永久磁矩的強磁性礦物之中，特別是磁鐵礦等氧化鐵礦物。這種剩磁的原理不止一種。當熔岩逐漸冷卻時，其中的磁性礦物會將當時的磁場方向凝固下來，這稱為「熱剩餘磁性」。當沉積物在海床或湖底積累的時候，磁性粒子的方向會稍稍傾向和地磁場對齊的方向，這稱為「岩屑剩磁」。

地磁場的變化屬於一種異方差波動，意味著在當下做測量，甚至在數十年或數百年的區間內做重複測量，都不足以推斷出磁場強度的整體趨勢。地磁場在過去有過多次原因不明的上下波動。再者，由於地磁場不是一個完美的磁偶極子，在一個單獨地點做的測量（磁場的強度或波動）亦無法用來推斷地磁場的整體狀況。就算磁場的總強度保持不變或上升，其偶極分量也有可能降低。

來源
當地核的熱量在向外逃逸時，會促使地核內部的導電物質做對流運動，因此產生電流，進而形成地磁場。

地核發電機原理
下的流動形成多個卷狀物，所產生的磁場如圖所示]]

包括地球在內的大部分太陽系行星以及包括太陽在內的所有恆星，都會因導電流體的運動而產生磁場。地球的磁場源於半徑為3400公里（地球半徑為6370公里）、由鐵合金組成的地核。地核分為半徑為1220公里的固態內核和液態外核。內核（溫度約為）的熱量向核幔邊界（溫度約為）傳導時，會推動液態外核的流動。內核的高溫來自於行星分異期間較重物質下沉時釋放的引力勢能，以及核內放射性元素衰變時釋放的熱能。外核流動的形狀與地球的自轉及固態的內核有關。

地球產生磁場的原理稱為發電機理論。綜合起來，可用一條稱為「磁感應方程」的偏微分方程來描述如此形成的磁場：

:\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} = \eta \nabla^2 \mathbf{B} + \nabla \times (\mathbf{u} \times \mathbf{B}),

其中為流體的速度，為磁場，為磁擴散率（與電導率和磁導率之積成反比）。是磁場的時間導數，是拉普拉斯算子，是旋度算子。

磁感應方程右邊的第一項描述的是擴散。在靜止不動的流體當中，磁場會減弱，聚集的磁場也會擴散開來。一旦地球發電機在某天停止運動，地磁場的偶極分量就會在幾萬年內慢慢消失。但是，一大部分來自太陽的磁場可能會被地幔阻擋。初始磁場也有可能來自核幔邊界上的化學反應，或來自導熱性和導電性的變化。

根據計算，地球外核的平均磁場強度為25高斯，是地表強度的50倍。

數值模型
要模擬地球發電機，就要對地球內部的磁流體力學非線性偏微分方程做數值求解。方程可以在一個三維網格的點上求解，網格越細，結果就越接近現實，但細度主要受到電腦計算能力所限制。數十年來，理論學家只能建立所謂的「動力發動機」模型：預先指定流體的運動方式，然後計算它對磁場的影響。此類模型的主要用途是測試不同流體幾何是否能夠維持發電機運作。

1995年，位於日本和美國的兩個研究團隊分別建立了「自洽」發電機模型，也就是能夠同時計算流體運動和磁場的模型。美國團隊的模型成功推算出地磁場的一些特性，包括地磁逆轉，因此受到廣泛重視。

測量與分析
勘察
1832年，卡爾·弗里德里希·高斯測量地球磁場。在之後150年的重複測量中，地磁場錄得10%的整體減弱。包括在內的一系列衛星利用三軸矢量磁力儀測量地磁場的三維結構。的數據顯示，存在一個動力地球發電機，使得在南非以西大西洋底下出現一個額外的磁極。

各國政府往往會通過地質調查所在各地的觀測站對地磁場進行系統性的勘察，如英國地質調查局的。這些觀測站可以測量和預測磁暴等地磁場狀況。

由遍佈全球的一百多座地磁場觀測站所組成，自1991年起一直保持對地磁場的監察。

在軍事方面，預先測量地磁場背景有助於探測大型金屬物體，如水下潛艇，所產生的不尋常磁場擾動。通常這些由飛機或船隻承載前往不同地點，例如英國的「獵迷」反潛巡邏機。

在商業上，地質勘探公司會利用磁力儀尋找由礦藏產生的自然異常，例如。

地殼磁異常
在考古方面，磁力儀可以用來探測鐵制考古遺物、窯、某些石建築結構、溝渠和貝塚等在地磁場中引致的細微偏差。科學家對第二次世界大戰期間用於探測潛艇的磁異常探測器進行改良，已測繪出整個地球海床的磁場差異。玄武岩是組成海床、富含鐵的火山岩，它含有強磁性的磁鐵礦，能夠在小範圍內使指南針偏向。冰島水手早在18世紀末就已發現這一現象。科學家可以利用玄武岩的磁性來研究深海海床：當熔岩冷卻形成玄武岩時，會記錄下當時的地磁場。球諧函數是一組在球面上波動的函數，每一個都是分別以經度和緯度為變量的兩個函數之積（）。以經度為變量的函數在零個或以上穿過南北極的大圓上為零，這樣的大圓共有個；以緯度為變量的函數在零個或以上圓形緯線上為零，這樣的緯線的數量加上之前的大圓的數量等於球諧函數的「階」。每一個球諧函數所描述的磁場都對應於地球中心的一組磁荷分佈：對應於在自然中從未被探測到的磁單極子，對應於由兩個相反磁單極子組成的磁偶極子，對應於由兩個磁偶極子組成的磁四極子。

球諧函數可以用來描述球面上任何符合某些條件的純量場（即位置函數）。雖然磁場本身是向量場，但在笛卡爾坐標下，它的每個分量都是一個稱為磁純量勢的純量場的導數，而磁純量勢可以用球諧函數來描述。利用最小平方法對全球各地地磁場的測量數值進行擬合，可將整個磁純量勢寫成一系列球諧函數之和，其中每個球諧函數都乘以擬合所得出的「高斯係數」，記作和。2000年之前的模型中，球諧函數展開截至第10階，共含120個係數；新模型截至第13階，共含195個係數。

由美國國家環境資訊中心（前身為國家地球物理數據中心）和英國地質調查局共同彙編。該模型的球諧函數展開截至第12階，共含168個係數，空間解析度約為3千公里。採用此模型的包括美國國防部、英國國防部、美國聯邦航空總署、北約組織及許多民用導航系統。

除此之外，由高達德太空飛行中心和彙編的地磁模型採取一種「全面性建模」方法，目的是把時間和空間解析度差別巨大的多組地表和衛星數據融合起來。

精度更高的還有美國國家環境資訊中心所彙編的增強地磁模型（），其球諧函數展開截至第790階，對磁異常的解析度達到56公里的波長。數據取自衛星、海上、航空、地表等地磁觀測站。的最新版本EMM2017包含由歐洲太空總署所錄得的數據。

生物對磁場的感知
不少動物可以感知地磁場，例如某些鳥類會在遷徙過程中用地磁場來導航。研究也發現，牛和野鹿往往會把身體與南北方向對齊，但在高壓電線底下卻不會，意味著這種行為和磁場相關。然而，2011年的一項研究通過分析Google地球圖像，並沒有觀察到這種現象。

科學家發現，歐亞鴝及其他鳴禽的地磁導航能力正受到微弱電磁場的干擾。這種干擾並非來自電纜或手提電話訊號，而是一種頻率介乎2 kHz至5 MHz的訊號。這包括調幅廣播訊號以及普通商用和家用的電子設備。

參見

  • 范艾倫輻射帶
  • 月球磁場
  • 木星的磁層
  • 極風
  • 隕石
  • 土星環
  • 南大西洋異常區

參考資料
延伸閱讀
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外部連結

#地球物理学 #地磁

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