地磁极是什么?关于地磁极的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:22:18

地磁极(Geomagnetic Pole)即地球的磁极,分为地磁北极和地磁南极。地球周围存在一个源自于地球内部,并延伸到太空的磁场,被称为地磁场。地磁场可以用一个与地球自转轴呈10.9°夹角的磁偶极子来近似,相当于在地球中心放置了一个倾斜了的磁棒(负磁极在北半球,正磁极在南半球)。目前,地磁北极位于北半球的格陵兰附近,实际上它是地磁场的南极,而地磁南极则是地磁场的北极。

地球磁场概述

地球表面任何地方一个自由旋转的小磁针,当其静止时,磁针的北极(N极)总是指向地理北极,显示着地球周围存在磁场。地球磁场空间分布广泛,从地核到空间数万公里的磁层边缘处处存在。粗略地说,地磁场可以看作是一个与地球自转轴呈10。°夹角的磁偶极子,相当于在地球中心放置了一个倾斜了的磁棒。

目前的地磁北极位于北半球的格陵兰附近,实际上它是地磁场的南极,而地磁南极则是地磁场的北极。

出现这种状况的原因是人们在发现磁极异性相吸、同性相斥的规律之前就定义了地磁北极这个名词。首先,人们定义了指南针指向地理北极的一端为磁场北极,由于这个定义是随意的,因此是可以接受的。然后,人们根据北方的地磁场极点接近地理北极的知识,定义了这个极点为地磁北极。可是,当人们最后发现磁场原来是同性相斥的规律以后,地磁北极也就只能作为习惯用法被保留下来了。因此相对的,导致地磁南极实际上是物理上的磁场北极。

地磁场成因

地球磁场可以分为:内源场和外源场,大约98%的地球磁场是内源的,被认为是地核内的液态金属的运动产生的(发电机理论);剩余2%是外源场,主要是由太阳源感应产生的。

地磁场由地球外核的磁流体发电机过程所产生的观点,最早由英国科学家Larmor于1919年首次提出,其基本原理是: 地球外核的导电铁流体受热浮力和组分浮力等因素的驱动,产生对流运动; 根据电磁感应理论,导电流体在磁场中的运动将产生电流,电流继而激发产生磁场; 由磁场引起的电磁力反过来又影响着流体的运动,从而形成一个自维持的“发电机”,称为地球发电机。天体产生和维持发电机运转必须满足3个条件: (1) 内部存在大体积的导电流体; (2) 驱动流体运动的能量; (3) 较快的自转速度。

这3个条件地球都满足。由于地球发电机模型能较好地模拟出地磁场的空间形态(偶极场为主,南北半球分布的局部极值区域等),并能再现地磁场随机性的倒转和极性漂移,以及地磁场西向漂移等主要时变特征,因此已被大多数科学家所接受。

地磁场的变化

地磁场是随时间不断变化中的。

长期变化-内源场变化引起磁场变化

  • 磁场西移:开始于1600's的欧洲观测显示地磁场的方向每年0。度的速率向西逐渐漂移。

  • 磁场倒转:地球磁场每5000~50000年倒转一次,与现今磁场方向相同的磁场被称为正常磁场。

  • 强度减弱:150年来地球总磁场减弱了10%,按此趋势,再过1000年磁场强度将减为零。

短期变化-固体地球外部电流体系引起的地球磁场变化:

  • 短期变化:又分为平静变化和扰动变化。平静变化包括太阳静日变化和太阴日变化;扰动变化包括磁暴、亚爆、钩扰、湾扰和地磁脉动,多于太阳活动有关。

地域分布

下图为地磁场三个坐标分量的地域分布图(世界地磁模型2015年数据)。由图可知,地球磁场强度从近磁赤道的30000nT到极点的60000nT;地磁场的磁偏角分布状况较为复杂,通常形成从极点向各个方向的展布;地磁场的磁倾角从磁赤道的0°到极点的90°变化。

磁极所在位置

地磁极所在位置随时间不停的变化,另外,由于地球磁场并不是完全对称的,地磁北极与地磁南极并不是处在对趾点位置上。近些年的观测得到的南北极点所在地理坐标,如下表所示:

(年份)经纬度坐标
地磁北极 (2001) 81°18′N110°48′W / 81。°N 110。°W (2004) 82°18′N113°24′W / 82。°N 113。°W (2007) 83°57′N120°43′W / 83。5°N 120。2°W (2015) 86°17′N160°04′W / 86。9°N 160。6°W
地磁南极 (1998) 64°36′S138°30′E / 64。°S 138。°E (2004) 63°30′S138°00′E / 63。°S 138。°E (2007) 64°29′49″S137°41′02″E / 64。97°S 137。84°E (2015) 64°17′S136°35′E / 64。8°S 136。9°E

磁极翻转

磁极翻转(又称地磁倒转)是指地球磁场方向的变化,也就是北磁极和南磁极的对调。

迄今发现最早的地磁记录在35~40亿年前,表明地磁场在地球形成早期就已存在(地球的年龄约为46亿年)。一般认为,在地磁场形成之后的漫长地质年代里,每隔10~100万年便会发生一次完全的南北极倒转。

磁极翻转的发生常常伴随着磁场强度的减弱,磁场不会完全消失,但是在反转过程中,在不同的位置混乱地形成多个磁极,直到当新的方向确定后,再次稳定为止,磁场强度又会迅速增加。

地磁场倒转一般几万年甚至更久才会发生逆转,发生的频率也不固定。古地磁学研究表明,地磁场自地球历史早期形成以来已经反转过数以万次。随着全球磁极时间表(Global Polarity Timescale,GPTS)越来越精确,揭示了过去地磁反转的发生速率是相当多变的。在某些地质年代间(如白垩纪稳定期),地磁场被观测到在数千万年间保持一个单一的方向。其他的时间似乎发生得非常迅速,五万年间发生了两次反转。最近一次反转是大约在78万年前的布容尼斯-松山反转。

一般认为磁极翻转持续时间的大多数估计值在100到1000年之间,但最近研究显示,地磁翻转的过程最快百年以内即可完成,颠覆以往认为需要千年的普遍认知。

成因

地磁倒转是地球演化史上的全球性重大事件。由于对地球内部物质和运动的认识不足,目前我们尚不清楚地磁倒转的确切原因。不过,相关研究也取得了明显的进展,现在已经知道地磁场是由地球外核的磁流体发电机过程所产生,数值模拟和实验已能再现一个与地磁场时空特征相似的磁场,并从中发现了磁场的自发倒转现象。

由于数值模拟和实验的近似程度远未达到地球的真实情况,地磁倒转的自发性目前还不能予以确认。近年来的研究发现,虽然地磁场起源于地球外核,但其他圈层的物性参数分布和运动,如下地幔和地核的电导率分布、地幔对流、板块运动、内核生长等因素都影响或控制着地磁倒转的过程和频率,这些外部因素是否是引起地磁倒转的原因需要进一步的研究。关于地磁倒转的原因还存在着一些非主流观点,典型代表有外星体撞击假说、全球气候突变假说和雪崩假说等。