毕业论文地球的磁场是怎么产生的.doc

Liaoning Normal University（2014届）本科生毕业论文(设计)题 目： 地磁场的产生学 院： 物理与电子技术学院专 业： 物理学班级序号：学 号：学生姓名：指导教师： 地磁场的产生目 录Abstract 1Key words1摘要1关键词1前言21 关于地磁场的描述22地磁场的组成33地磁场起源的历史33.1 地磁场起源的基本理论要求33.2 主要的地磁起源理论44 地核发电机学说64.1 自激发电机理论的提出64.2 磁流体发电机理论64.3埃尔萨塞帕克模型和布拉德过程74.4 自激发电机理论的不足85 总结9注释9参考文献9致谢10地磁场的产生摘要：长久以来，地磁场起源问题一直是一个没有被解决的重大地球物理难题。从1600年吉尔伯特提出第一个永久磁化理论到现在，400多年来，至少有十几种地磁起源的假说或理论相继问世，但大多数假说还未来得及充分发展就被放弃了。现在人们普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“地核发电机理论”。1945年，物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。关键词：地磁场起源 地核发电机理论 磁流体发电机理论Abstract: For a long time, the magnetic field origin problem has always been a major geophysical problems not been resolved.Gilbert in 1600 first permanent magnetization theory put forward by now, More than 400 years, There are at least a dozen hypothesis or theory for the origin of geomagnetic field, But most of the hypothesis has not yet had time to full development has been abandoned. Now it is widely believed to be caused by the flow of the liquid iron in the core. The most representative of the hypothesis is the core theory of generator. In 1945, physicists el Sussex, based on the principle of MHD generator, He think that when the liquid outer core movement in the initial weak magnetic field, An electrical current as MHD generators, Current magnetic field and the original weak magnetic field enhancement, Such foreign nuclear matter interact with magnetic field, Such foreign nuclear matter interact with magnetic field. Because of friction heating consumption, Magnetic field increases to a certain degree is stabilized, it built the earths magnetic field.Key words: Origin of the magnetic field The core theory of generator MHD generator theory前言：地球的基本磁场与人类的关系十分密切，它的强度虽然不大（不足1高斯），但展布的空间却很大，它保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害，是地球的重要环境因素之一，对人类的生存和发展起着至关重要的作用，因此对地球起源的研究显得十分重要。然而由于地磁研究的方法、手段、设备、思路等问题，使地球磁场的成因至今仍不清楚，爱因斯坦把地磁场起源问题成为“五大物理难题”之一。历史上，有关地球磁场的成因产生过多种猜测，其中地核发电机理论被公认为最合理、最有希望的一种。然而，这种假说仍然存在一些问题，这就提示我们应该认真审视近百年来地磁研究的发展历程，是否存在偏差和疏漏，所以本文对历史上一些比较重要的假说或理论作一简要的介绍和说明。有对地核发电机理论进行了系统的阐述，希望以此来开拓思维，拓展视野。1关于地磁场的描述地球具有各种各样的物理场，如重力场、温度场、电场、磁场等等、而地磁场正是是重要的地球物理场之一。地球周围存在的磁场，包括磁层顶以下的固体地球内部和外部所有场源产生的磁场。地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。因为太阳风是一种等离子体，所以它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。 地球磁层位于距大气层顶6001000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面57万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。 图1为地球磁场的示意图。图1 地球磁场示意图2 地磁场的组成众所周知，磁性物质和电流都可以产生磁场。地球磁场就是由地球内部磁性岩石以及分布在地球内部和外部的电流所产生的各种磁场成分叠加而成的，但是由于磁场起源不同，各种磁场成分的空间分布和时间变化规律也不尽相同。所以有必要对地磁场的组成进行分类研究。按照场源位置划分，地磁场可以分为内源场和外源场两大部分。内源场起源于地表以下的磁性物质和电流，它可以进一步分为地核场、地壳场和感应场三部分。地核场又称为主磁场，地壳场又叫局部异常磁场，是由地壳和上地幔磁性岩石产生的。而主磁场和局部异常磁场有时会合为稳定磁场。至于感应场则是外部变化磁场在地球内部生成感应电流的磁场。外源场起源于地表以上的空间电流体系，它们主要分布在电离层和磁层中，行星际空间的电流对变化磁场的直接贡献很小。由于这些电流体系岁时间变化较快，所以外源场通常又叫变化磁场或瞬变磁场。从全球平均来看，地核主磁场占总磁场的95%以上，地壳磁场约占4%,外源变化磁场及其感应磁场只占总磁场的1%。3 地磁场起源研究历史回顾从一千多年前的古代起，人类就知道地球有磁场，但是地球怎么会有磁场，却是至今难以圆满回答的问题。长期以来，地磁场起源问题一直都在吸引同时也在困扰着人类的智慧。时时有前进，但却总无尽头。四百多年来至少有十几种关于地磁起源的假说或理论相继问世，但大多数假说还未来得及充分发展就被放弃了。3.1 地磁场起源的基本理论要求一个成功的地磁场起源理论应该是物理上合理的理论，它必须符合地磁学、力学、热力学等物理学基本规律。而且该理论不仅应该能够合理地解释地磁学已有的观测事实，解释过去地磁场演化的历史，而且可以预言未来地磁场的发展趋势，同时，对认识地球和宇宙的其他现象有所帮助。一个成功的地磁场起源理论同样不仅应符合地磁学的主要观测事实，而且应尽可能与其他相关学科的观测事实相符合，至少不矛盾，其中包括地震、重力、地热、和天文学科得到的观测结果。地磁场的起源理论应回答的基本问题大体如下：（1）地球为什么会有磁场？（2）为什么地磁场会长期存在（至少为地球年龄的70%）（3）为什么地磁场中的偶极子场占优势？（4）决定地磁场强度的因素是什么？（5）为什么地磁场强度会有变化，而变化又那么小？（6）为什么指南针近似指北？（7）为什么平均地磁轴与地球自转轴相合？（8）为什么地磁场的极性会倒转？（9）极性倒转时地磁场发生什么样的变化？为什么？（10）为什么没有占优势的极性？（11）为什么地磁场极性倒转频率变化如此之大？（12）引起地磁场长期变化的物理过程是什么？（13）为什么其他行星和卫星也有磁场？这些磁场是否可以用同一机制解释？在地磁学发展史上，虽然有的地磁起源假说只是为解释某一特定的地磁现象而提出的，有的则更为普遍一些，不管是哪一种，在该假说提出的时候都有其合理和成功的地方。它们不断接受者日益发展的物理学，地学等学科的检验，受到迅速增多的观测事实的检验和挑战。3.2 主要的地磁起源理论爱因斯坦于1905年发表他的狭义相对论不久，就把地磁场的起源问题归结为在物理学中尚未解决的五大难题之一。随着科学的发展，对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入，对地球磁场的来源先后提出了10多种学说。这里对其中一些比较重要的假说或理论作一简要的介绍和说明。（1）永久磁化理论地磁场在地球表面的分布类似于一个地心磁偶极子所产生的磁场（如图2所示）。根据这一观测事实，吉尔伯特（W.Gilbert）提出了最早的永久磁化理论。他设想地球内部可能存在这一个大的永久磁体，它产生地面观测到的磁体，乍看起来，虽很容易被人接受，但是这种假说并不成立。图2 地磁场分布图从实验中我们可以知道，铁磁质的磁化与稳定有关，随温度的升高，它的磁化能力将逐渐减小，当温度升到一定温度时，铁磁性就完全消失了，这个温度被称为“居里温度”。这时铁磁质中的磁性将消失殆尽。地核的主要成分是铁，已知铁的居里温度为770，而地核的温度在2200以上。如果地核曾有过磁性，那么由于地核内的温度升高并超过居里温度，这种磁性也早就消失了。而且有资料表明，地球磁场的南北极性至今曾经发生过很多次的倒转。通过对各地岩石所属地质年代和他们化石磁性的精密测定可知，在距今约450万年的时间里，地磁场的极性曾发生过9次倒转，最晚一次极性倒转约发生在60万年前。利用永磁体学说是很难解释地磁场的倒转和其他观测到的一些长期变化特性现象的。（2）旋转电荷理论根据电流周围产生磁场，而且已经测出外地核可能是液态的，这是因为在那里测出地震波横波消失。地核的温度有很高，外地核可达4000左右，于是舒瑟兰德（W.Sutherland）认为，外地核是处于高温电离了的液体状态。由于地球的自转使得外地核流动起来形成了强大的电流而产生磁场。按照这种假设, 外地核是处于高温电离了的液体状态, 但在高温下, 电离了的液体状态必然同时存在着正负离子, 且两种电荷的量值相等。当地球自转时, 大量的正负两种离子会产生方向相反的电流, 所产生的磁场也必然方向相反, 结果必然相互抵消, 而不会有净磁场产生。而且, 这种假说也不能很好的解释地磁场的倒转。所以这个假说也不能成为地磁场起源真正原因的解释。（3）压电效应理论这个理论认为，在流体地核内部的超高压力使其中物质的电荷分离，电子在这样的电场中运动可以产生电流和磁场。但是根据现有的资料估计，这一效应产生的磁场仅为地磁场的0.2%。（4） 温差电效应理论根据汤姆逊的温差电动势原理，如图3所示，设有一金属棒AB，其两端的温度不同。A端温度高，设为T1，B端温度低，设为T2，即T1T2，这时在金属棒两端便形成温差电动势，因为金属中的电子当温度不均匀时，会发生扩散，自由电子会自动的从高温的一端扩散到低温的一端，并堆积起来。因此，在高温的一端由于缺少电子而带正电，低温的一端由于获得电子而带负点，从而使整个金属棒内产生了电流。图3 金属棒形成温差电动势示意图将这个观点应用于地球，地球是一个大的导体，地球内部的温度很高，相对来说，表面温度很低，即内外温差大。因此可以设想内地核是带正电的，外地核由于温度较低一些所以是带负电的。外地核上的负电荷运动方向与地球绕轴的自转方向一致, 形成的环形电流的方向就与地球的自转方向相反。根据右手螺旋定则, 如果用四指表示环流方向, 大拇指就是螺旋管内的磁场方向。从地球外部来看, 地球的地理南极是地磁的北极, 地理北极是地磁的南极, 而内地核上的正电荷分布在地球的中心, 地球自转时, 它基本上是不动的, 所以形成不了电流从而也产生不了磁场。这种假说可以解释为什么地球的南北极和地磁场的南北极正好相反, 也可以解释为什么地磁场的强度有变动现象，这是因为地球内部温度发生了变化, 地球内部释放热量的不均匀性, 因此温差电动势发生了变化, 于是磁场也就随着发生变化。但是这种假说也无法解释地磁场会发生倒转的现象, 因为按照这个假说, 负电荷运动是由于地球自西向东的自转引起的, 可是到目前为止地球的自转从未改变过方向。也就是说, 负电荷的运动方向也一直没有改变过, 所以由此产生的磁场也不会发生倒转。这与测观事实不符。还有, 根据温差电动势计算出的磁场大小也同地球磁场不符。因此, 应用温差电动势理论还不能真正解释清楚地磁的产生之谜。（5）磁暴感应理论磁暴是经常发生的磁场变化现象，它起源于磁层赤道环电流。查特里（J.S.Chatterjee）认为反复发生的磁暴恢复相，通过电磁感应可以在地核中产生偶极磁场的电流体系。在前一个磁暴的感应电流消失之前，后一个磁暴接着发生，在磁暴多次重复之后，就会形成今天的地磁场。但是根据磁暴理论，只有当偶极场存在的条件下，才会形成产生磁暴主相和恢复相的赤道环电流。即先有地磁场后有磁暴环电流。况且，暂不考虑这个困难，要形成今天的地磁偶极场，大约需要100亿年，而地球却只有50亿年的历史。4地核发电机学说虽然四百多年来，关于地磁场起源的理论先后有十几种假说或理论相继问世，但是，目前，只有地核发电机理论“一枝独秀”，得到普遍的承认和深入研究。 4.1 自激发电机理论的提出1919年拉莫尔（J.Larmor）首次提出天体磁场起源的发电机假说，他在像太阳这样的旋转天体怎样成为磁体？一文中写道：“太阳表面的现象指出，在太阳内部（主要在子午面内）存在着残余的环流。这种内部运动将因感应而生成电场，而电场又作用于运动介质。如果环绕太阳轴的任一导电回路是连通的，则有电流绕太阳轴流动，此电流将使施感磁场增强。于是太阳内部环流运动就以自激发电机的方式，通过消耗内部环流运动的能量，维持一个永久磁场。”拉莫尔的想法也同样适用于导电流体的地球外核。但是否天体内部流体的任何运动都可以维持永久磁场？回答是否定的。1934年柯林（T.G.Cowling）从理论上证明，轴对称磁场不可能由轴对称运动所维持，因而他认为拉莫尔的设想是错误的，这被称为第一个“反发电机理论”。“反发电机理论的证明引发了寻找更普遍的反发电机理论的热潮，直到1970年，奇尔德莱斯和罗伯茨证明不存在普遍的反发电机定理，这一热潮才告停止。4.2 磁流体发电机理论虽然最早由拉莫尔提出了自激发电机的理论,但对它较为系统的论述, 则可以追溯到1940年代末和1950年代初由埃尔萨塞(W. M. E lsasser)、帕克( E. N. Parker)和布拉德( E. C. Bullard)等人完成的埃尔萨塞-帕克模型和布拉德过程。 根据之前介绍的永久磁化理论，我们知道铁的磁性以及它在地球内部的丰富含量导致了“地球是一个大磁铁”的设想，但是，物质居里温度的发现很快又否定了这个最早的地磁场起源假说。实验证明，物质被加热到一定温度（居里温度）以上，原子磁矩的取向就会变得杂乱无章，于是物质原来具有的宏观磁性消失了。不同物质具有不同的居里温度，铁为798摄氏度，磁铁矿为675摄氏度。地球内部温度随深度而增加，平均大约在25km深度处就能达到居里温度。这就是说，不可能指望该深度一下的地球物质磁性能产生观测到的地磁场。那么，居里点等温面以上的地壳物质是否可能是地球主磁场的源呢？在检验了所有已知地壳物质磁性后得出了否定的结论。在最理想的情况下，全部地壳物质对地磁偶极子场的贡献也是微乎其微的。更为困难的是，地壳的变形和运动及其缓慢，根本无法解释快得多的磁极运动、磁场西向漂移地磁场极性倒转等一系列重要现象。如上所说，由于地幔的温度超过居里点，所以占地球体积82%的地幔物质的磁性不可能是地球主磁场的源。那么，地幔物质运动所产生的电磁效应是否能够产生主磁场呢？因为许多事实证明，地幔对流是存在的：海洋与大陆的形成，地震与火山的活动，海底扩张和大陆漂移等观测事实显示着地幔的活动性；中洋脊地幔上升和俯冲带地幔下降给出了地幔在重力和热力驱动下不断对流的证据；地幔流动的速度太慢，依然不能解释磁极移动、磁场西漂和极性倒转。而地磁学得益于地震学的帮助，找到了唯一可能产生地球主磁场的源液态地球外核。地震学研究了地震波在地球内部的传播，得到了地球内部物质密度和状态的详细分布，为地磁产的起源的研究提供了重要的基础，如图4所示为地球内部结构示意图。额图4 地球内部结构示意图 地球的最表层是地壳，地壳厚度在海洋下约为10km,在青藏高原可达80km.地壳之下是上地幔，经过600700km的转换带到达下地幔，在2890km处是核地幔界面，其下是液态外核，到5150km深度遇到固态内核。流体外核实最容易产生磁场的地方。地球的密度、温度和压力随深度增加，组成地球的物质在其漫长的演化过程中不断发生形变和分异,形成了现今基本上呈同心球层的结构。核幔边界是地球物质成分的显著分界面，两边物质的化学、物理学特性以及动力学状态明显不同，地球外核处于40006000度的高温和150250万大气压的高压状态下，其中的物质呈导电流体状态。在温度和密度差异的条件下，外核流体在自转系统中发生对流，从而产生了自激发电机过程，这就是地球主磁场的磁流体发电机理论。4.3 埃尔萨塞帕克模型和布拉德过程1940年代末和1950年代初由埃尔萨塞、帕克、和布拉德等人完成的埃尔萨塞帕克模型和布拉德过程对地球磁场的起源有了较为系统的论述。他们根据磁流体发电机的原理提出了一个颇为合理的设想：液态铁的外地核，内侧区域的温度比较高，外侧温度比较低。位于内侧区域的铁被加热会向外侧上升，这些上升到外侧表面的铁在冷却以后变重，又会向内侧下落。这样，在外核中就形成了液态铁的对流。这种铁流体在一个最初的微弱磁场中运动，就会像磁流体发电机一样产生电流（电磁感应）。据分析，地球内部有许多因素都能形成那个微弱的“种子”磁场的。电流的磁场又使原来弱的磁场得到加强，这样外地核物质与磁场相互作用使得原来弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，当磁场增大到一定程度时变会稳定下来，形成现在我们这样的地磁场。而双圆盘发电机模型从原理上阐明了地磁场起源的物理机制，如图5所示，圆盘在磁场中转动， 图5 双圆盘发电机模型产生一个从圆盘中心向外流的电流I。它用一根导线引出，导线带有与圆盘相接触的“电刷”。只要导线绕的适当，感应电流所产生的磁场就有可能加强原来的磁场。且在图中，一个圆盘内的感应电流围绕着另一个圆盘的轴流动。导线的这种绕轴的方法使得极性能够发生倒转。这样对地磁极性倒转的自然解释，是别的地磁成因假说都难以做到的。这种双圆盘发电机模型从原理上阐明了地磁场起源的物理机制。4.4自激发电机理论的不足虽然自激发电机假说在观测、实验和理论研究上得到了较多的认证，是目前被研究和应用得较多的地球磁场模型。这个假说能够解释地磁场的倒转以及磁场强度的变化等许多现象，但同时也面临着巨大的质疑。首先，在地核是什么与图中的导线电刷相类似？其次原来弱的磁场产生的具体机制究竟如何？关于这些问题的回答又有这样几种说法：1）最初的微弱的磁场可能来自核内化学不均匀性产生的弱电流，从而产生了弱的磁场；2）也有人认为在太阳系最初形成时，月亮即受到地球的引力成为它的卫星。而月亮在被吸引到地球附近的过程中，地球表面的海洋出现强烈的潮水起伏，这种起伏所引起的巨大摩擦力，使地球温度剧增，导致地心熔化，地心的岩浆在高温及强引力的作用下出现旋转的滚动，结果产生了磁场；3）也有人然为最初的微弱磁场是受其他星体的影响而产生的。再次，这种自激发电机假说还碰到了能源问题。导体内部电流产生的磁场都要衰减，而古地磁的研究表明，已经测定的最古老的磁性岩石，年龄为109 年量级，可见地球磁场在漫长的地质年代里是最稳定的，要维持这样的磁场，就需要不断提供能量。是什么能量来源能够提供一个这样稳定的巨大的能量呢？目前仍不清楚。虽然自激发电机假说与地核内真实的地磁场的产生原因仍然有差异，但却给我们以启发。因为磁流体发电机原理假说不但能够实现极性的倒转，也能够解释较多的地磁现象，所以受到了普遍的重视，是目前地磁研究中流行最广的假说。对它的进一步研究还在继续中。5总结关于地磁场的起源问题，历史上曾先后提出来过10多种假说或理论，其大致可以分为五类。即磁化理论、感应理论、电流理论、波动理论和发电机理论，虽然目前仍然没有一种假说能令人满意地解决地磁场的起源问题，但是这些假说开拓了我们的思维，拓展了我们的视野，都各有其部分的真理性。人类绝不会停止探索地磁场起源之谜的脚步，我们坚信，地磁场的起源之谜中有一天会被我们所知，我们期待那一天的早日到来。注释1 徐文耀著.地球电磁现象物理学.M.北京:中国科技大学出版社，2009.30.160161参考文献1Aubert J,Brito D, Nataf H C, Cardin P, Masson J p. A systematic experimental study of rapidly rotating spherical convection in water and liquid gallium J. Phys. Earth Plan.Int.,2001,128:51-742Benton E R.Hydromagnetic scale analysis at Earths core-mantle boundaryJ. Geophys.Astrophys.Fluid Dynam.,1992,67;259-2723Bloxham J , Gubbins D , Jackson A. Time-dependent mapping of the magnetic field at the core-mantle boundary J. J.geophys.Res.,1992,97:19537-19563.4Cain J C, Hendricks S J, Langel R A,Hudson W V.Proposed Model for the Internation Geomagnetic Reference Field J,1965.Geomag.Geoelectr.1967,9:335.5Chapman S ,Bartels J.GeomagnetismM.Oxford:Clarendon Press,1940.6Korte M ,Constable C G.Continuous global geomagnetic field models for the past 3000 yearsJ.Phys.Earth Planet ,Inter.,2003,140:73-89.7Glatzmaier G A,Olson p. Highly supercritical thermal convection in a rotating spherical shell :Centrifugal vs radial gravityJ.Geophys. Astrophys. Fluid Dynam.,1993,70:113-136.8Roberts P H ,Scott S. On analysis of the secular variation ,l.A hydromagnetic constraint : Trans.R.Soc.lond.,1972,A271:411-454.9李安生，贾栓稳.地球磁场的成因与居里点随压强变化的推测.J.地球物理学进展,2005,20(3)698704.10傅承义，陈运泰，祁贵仲著.地球物理学基础.M.北京：科学出版社，1985:116.182183.433.11徐文耀.地球磁场的物理问题J.物理，2004,33（8）：551557.12刘本培，蔡云龙主编.地球科学导论M.北京：高等教育出版社，2000,4:747813徐文耀.地球发电机过程的实验室模拟研究J.地球物理学进展，2005，20（3）：698704.14 徐文耀著.地球电磁现象物理学.M.北京:中国科技大学出版社，2009.30.16016115胡德昭，朱慧娟主编。地球物理学原理及应用M.南京：南京大学出版社.1995.8.第二版,170.25016徐文耀著.地磁学M.北京:地震出版社,2003.147.158.致谢本论文是在孙衍斌教授的悉心指导下完成的，在撰写论文的过程中，我曾就论文中出现的问题多次咨询孙老师的意见与建议。孙老师都不厌其烦地为我耐心解答，让我受益匪浅且感受颇多。我也十分钦佩孙老师严谨的治学态度和诲人不倦的高尚师德，这些都值得我去学习。在论文撰写过程中老师不仅教会了我学术性内容，更教会了我求真务实、脚踏实地的学习态度和善于动脑、勤于思考的学习方法，这些是我终身受用的知识财富。论文从选题到最后完成，都倾注了老师大量的心血。在此，谨向老师再次表达崇高的敬意和衷心的感谢！论文的顺利完成，也同样离不开同学的关心和帮助，我有不懂的问题也向同学们请教，大家都悉心地解答，同时也为我提供了很多宝贵的材料。在此也对他们表示深深地感谢！第11页