【地球磁場如何產生】地球磁場之謎:地磁場如何產生?
命理

【地球磁場如何產生】地球磁場之謎:地磁場如何產生?

特徵 描述
起源 古老時期,人類便觀察到特定物質總是朝向特定方向,中國古代更發明瞭指南針(古稱司南)。
原因 這些物質之所以會朝向一個方向,是因為它們帶有磁性,同時地球被一股磁場包圍,所以無論這些東西轉到什麼方向,都會自動返回與地球磁場相同的方向。
概念 包圍著地球的磁場便是地磁。
保護機制 太陽不斷釋放高能量帶電粒子(稱為太陽風),如果直接吹襲地球表面會對人類及其他生物造成損害,幸而地磁將大部份粒子阻隔在地球之外,保護生命免受太陽風的威脅。
生物應用 此外,有些動物(例如海龜和候鳥)亦依賴地磁導航。
歷史影響 地磁的發現以至指南針的發明令人類實現了遠洋航行,以至開展了大航海時代,對貿易、戰爭、文化交流等帶來重大影響。
結構 地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。
近似性 粗略地説,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。
磁極位置 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。
形成機制 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。
地磁逆轉 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。
重要性 地磁逆轉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瞭解大陸和海牀的板塊運動。
磁層 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。
太陽風阻隔 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。
火星大氣層剝離 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 古地磁學是對地球過去磁場的研究。
應用 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,在海牀上形成多條與中洋脊平行的條狀結構。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。
早期使用 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。
生物應用 諸多生物物種都具有磁場感知(英語:magnetoreception)的能力,包括鴿子和某些細菌,並用之判定方向和導航。
測量 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」(D),與地平面之間的夾角則稱為「傾角」(I)。磁場的強度(F)與磁鐵所受的磁力成正比。
特斯拉單位 一個特斯拉亦稱伽馬(γ)。
地磁強度分佈 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。
地磁傾角分佈 地磁傾角的數值在−90°(上)和90°(下)之間。地磁場在北半球向下傾,在地磁北極指向正下方,並隨緯度下降而逐漸向上,至「地磁赤道」處完全與地表平行(0°)。往南,傾角繼續向上,直到地磁南極處指向正上方。
地磁偏角分佈 地磁場相對正北方向東偏時,偏角數值為正,往西偏時則為負。
地磁偶極子 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。
磁性南北極 人類是先根據地球兩極的方位定義磁鐵的南北兩極,而不是相反:磁鐵的北極是指南針在自由旋轉時轉向地磁北極的一端。
地磁極點定義 地磁兩極的位置有局部和全球兩種定義。
地磁極點移動 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年剛毅灣以外600公里處。
太陽風影響 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。
磁層邊界 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。
磁層結構 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。
等離子層 這個區域會隨地球公轉。
範艾倫輻射帶 範艾倫輻射帶之間有些重疊,重疊的程度會隨太陽的活躍度而大幅波動。
宇宙射線阻擋 除了太陽風以外,地磁場還會阻擋宇宙射線。
環狀電流 陽離子往西緩慢漂流,陰離子往東漂流,形成環狀電流。
極光 在穿透電離層時,帶電粒子會與那裡的原子發生碰撞,從而產生極光並發出X光。
磁暴 磁層的變化狀態主要是被太陽活動所驅動,這就是所謂的太空天氣。
磁場強度變化 地磁場偶極子的方向和強度都會隨時間變化。
長期變化 地磁場偶極子的強度和變化速率在過去7000年間並無偏離常規。
地磁偏移 地磁場偶極子軸有時會傾斜到越過赤道,然後返回到原來的極向。
地磁北極移動 地磁北極正從加拿大北部往西伯利亞方向漂移,速度正在加快:20世紀初速度為每年10公里,2003年已升至每年40公里,目前仍在上升。
地磁場變動 地磁場的變動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。
地球磁場產生機制 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。
地核結構 地核分為半徑為1220公里的固態內核和液態外核。
磁感應方程 磁感應方程右邊的第一項描述的是擴散。

地球磁場如何產生

地球磁場是如何產生的,一直是科學家研究探討的重要課題。以下為有關地球磁場形成的關鍵知識:

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理論一:地核發電機理論

地球磁場如何產生

  • 地球內核為固態鐵鎳合金,而外核為液態鐵鎳合金。
  • 外核中的液體金屬因地球自轉而產生對流運動。
  • 對流運動又會帶動地核中的電荷流動,並在液體金屬與固體地核的邊界產生電流。
  • 電流的流動會產生磁場,稱為地核發電機理論。

理論二:地幔對流理論

  • 地幔為地球介於地核和地殼之間的一層。
  • 地幔中的固體岩石因受地球內部熱能影響而產生對流運動。
  • 對流運動也會帶動岩石中的電荷流動,並產生磁場。
  • 這種理論認為地幔對流運動對地球磁場的長期變化起重要作用。

其他相關知識

現象 相關性
磁極逆轉 地球磁場的南北兩極會不定期反轉。
太陽風 太陽釋放帶電粒子會影響地球磁場。
地殼磁異常 地殼中特定物質或地質構造可能會引起磁場異常。
地磁測量 地磁儀器可用於測量地球磁場的強度和方向。
磁層 地球磁場會形成磁層,保護地球免受太陽風的直接衝擊。

表格總結

理論 機制 產生位置 主要作用
地核發電機理論 液體金屬對流 地核外層 產生地球磁場的主力
地幔對流理論 岩石對流 地幔 長期磁場變化的調節

結論

地球磁場的產生是一個複雜且仍在研究的課題。地核發電機理論和地幔對流理論是兩個重要的機制,但地球磁場的變化受到多種因素的影響,需要進一步深入探討。

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