探索地球磁场的成因

我们生活在一个具有磁性的星球上。地球本身就是一个强大的磁场，磁场和我们的生活密切相关。正是因为有了强大的磁场，地球才变得生机勃勃，欣欣向荣。

人类最早对地球磁场的利用就是用罗盘来指示方向。许多动物利用地球磁场定向。科学研究表明，许多种生物，如鸽子、龙虾以及某些细菌等，体内都含有用于判别方向的永磁体，这些磁体保证了这些生物永远都不会迷失方向。

地球磁场更重要的作用在于它时刻保护着地球生物免受太阳粒子、宇宙射线的伤害。地球生物的能量主要都来自太阳，太阳这颗庞大的恒星是一座巨大的核反应场，释放出巨大的放射性热能以及强大的带有电荷的粒子流。这些粒子如果到达地面，就会对生物造成致命的伤害，破坏它们的繁衍，例如使人类换上皮肤癌、白内障等疾玻地球的磁力线以能量波的形式从地心经过南极，行经数十万公里，进入太空，再由北极返回地球，最后回到地核内部，整个磁场像一把巨大的伞，阻挡着朝向地球的辐射，这道无形屏障迫使放射性的粒子远离地球。然而在两极地区，磁力线是垂直进出的，磁场的屏障作用很弱，宇宙射线会轻松的进入大气层。当带电粒子击中大气时，会使空气发生离子化，形成了等离子体（一种电子被剥离原子核的过热气体），薄薄的等离子体在空气中形成了漂亮的波动光线，这就是极地地区常见的极光现象。

地球的磁场是如何形成的呢？这要从地球的结构说起（图1）

地核因压力不同又可分为两个部分，即液态的外核以及固态的内核。地球内核是地球的核动力工厂，在那里发生衰变反应，所产生的能量使外核呈高温离子态。地球自转的离心作用使高温离子涌向赤道，形成一个近似环状的离子环。

大家知道电子移动可产生磁常那么离子运动能否产生磁场呢？我们可以用直流电焊机做试验。焊条在电流的作用下因高温电离，并运动到被焊接的机体上，焊条形成的高温离子在向机体运动中产生的磁场，普通半导体收音机接收到一个噪音干扰信号。环状的离子外核与地球同时旋转，使地球有了一个强大的不旋转磁常地球的轨道和月球的轨道都是椭圆引力、速度时刻变化，导致了地球的磁场并不稳定，它总是在发生着各种或大或小的变化。地球的倾斜自转，导致离子外核的旋转轨迹倾平面不与地球自转轴垂直，故而地球的磁极与地极不重合。它们之间的夹角被称为磁偏角。磁偏角随时间和地点的不同而不同，这实际上是地球磁场随引力变化而变化的一种反映。300年以来人类绘制的航海地图资料上清晰地记录了磁偏角的变化情况，这些航海资料成为了用来研究地球磁场变化的极好材料。

另外，科学家还从火山熔岩中发现了地球磁场变化的现象。火山喷发时会将火山熔岩带到地表，这其中包括了大量含有铁磁体（铁或镍的氧化物）的矿物，当铁磁体被加热到一定温度时候，就会完全丧失磁性，例如，铁加热到760℃时会失去它的磁性，而镍在加热到356℃时也会失去磁性，这个相应的温度值就是所谓的居里温度，是由居里夫人在1895年率先发现的。高温的火山熔岩喷出地表（或海底）后便开始冷却固化，越过居里温度时，铁磁体矿物便在地磁场的作用下重新获得磁性，硬化了的熔岩也因此把地球磁场的强度与方向记录了下来。因此，不同年代喷发的熔岩流都与深处磁场方向相对应。研究人员在识别火山岩中的磁性记录时发现火山岩中的磁性方向与今天南北极分布正好相反，在漫长的地质历史时期，火山岩中的磁性还周期性地频繁发生着反向。

类似的现象在海底也可以观察到，大洋中脊是板块不断增生的部分，在大洋中脊处，炙热的熔岩不断踊向地壳表层，将较老的熔岩对称的推向两侧。通过磁力仪可以发现，大洋中脊两侧对阵分布着磁性异常的熔岩条代，这些条带记录了地质历史中频繁发生的火山岩的磁性反向现象，也论证了地质学中的重要理论，即海底扩张和板块构造理论。

那么是什么原因使地壳岩石和洋脊感应剩磁场反向呢？在这个问题上存在两种解释方法。

１，被普遍接受的地球磁场逆转。根据地球磁场形成的理论，地球磁场要是逆转，地球必须反转。但地球反转几乎不可能！所以结论地球磁场逆转的可信度还值得怀疑。

２，第二点就是地幔和地壳在能形成磁场的外核上运动（以后称弦动）。大陆漂移已被大家所共识。那么地壳和地幔能否在有磁场的液体外核上弦动呢？我们首先了解一下地球的结构（图２）和天体引力对地壳和地幔弦动的影响。

从上图我们看到，地球的液体外核把地球分成能相对运动的两大部分。地幔和地壳漂浮在有磁场的外核之上。如果引力平行于地球赤道，那么我们设的Ａ点轨迹就是一个能重合的闭合圆。

地球倾斜自转与垂直自转产生的层圈差速就截然不同，Ａ点的轨迹有纬度的变化。白道面和赤道面都是变化量。这个变化量时而相减，时而相加。

相加的轨迹如下图。

相加时地幔和地壳在有磁场的外核上整体大弦动（南北极换位）。因此岩石、洋脊的感应剩磁场能来回反向。

地球最中心是固态的内地核，内地核的体积会随着地球的逐渐冷却而增大，并逐渐将液态的外地核凝固起来。实际上，地球自形成以来，自转渐慢，温度一直在降低，终有一天，地核会完全凝固成为固体也不转了。那时候，地球的磁场就消失了。没有了磁场的地球会是怎样的呢？看看太阳系中的我们的红色近邻——火星，或许对我们有一定的启示。

目前人类已经对火星进行了多次成功的探测，火星探测器具有磁力检测装置，人们发现，火星地核并没有发射出任何磁常只是在火星地壳的某些区域检测到了强烈的剩磁性，这些磁性来自于局部的火星岩石。这表明，当具磁性的岩石形成时，火星是有磁场的，火星曾经和地球一样，拥有磁场和液态的核心，只是它的磁场消失了。研究人员推测是，火星的内核一定是在某个时刻冷却发生了硬化，从此以后就再也不能产生磁场了。

火星现在的模样，或许昭示着地球的未来。我们今天所赖以生存的磁性星球，在遥远的某一天也会变得像现在的火星一样——荒凉，而且毫无生机。