1、第 7 7 讲地磁场地磁场1申文斌，申文斌，徐新禹徐新禹，霍学深，金涛勇，霍学深，金涛勇20152015年年3 3月月19-2419-24提纲l 引言引言l 地磁要素地磁要素l 地磁场的组成地磁场的组成l 地磁场的空间形态地磁场的空间形态l 地磁场的特征地磁场的特征l 地磁场成因地磁场成因l 地磁场的测量地磁场的测量l 地磁场的应用地磁场的应用21.引言l 地磁场示意图地磁场示意图31.引言l 地磁场的形式地磁场的形式p 近似一个放在地心的磁棒所产生的磁偶极子磁场。有两个磁极，地磁场S极位于地理北极附近，地磁场N极位于地理南极附近，但均不重合。两磁极的连线称为磁轴，与地球自转轴的夹角约为11.
2、5。以地磁极和地磁轴作为参考系定出的南北极、赤道及子午线称为磁南极、磁北极、磁赤道和磁子午线。4地球周围存在着磁场，称地磁场地球周围存在着磁场，称地磁场（Geomagnetic fieldGeomagnetic field）1.引言l 地磁场的形式地磁场的形式p 长期观测证实，地磁极围绕地理极附近作缓慢的迁移，例如1961年磁北极的位置为北纬74.9，西经101.0；到 1 9 7 5 年 已 漂 移 到 北 纬76.1，西经100.00。p 磁场的表现形式为起止于地球体的磁力线，磁力线的方向表示磁场的方向，其密集程度表示磁场强度大小。51.引言 磁现象？磁现象？ 地球是一个巨大的地球是一个巨
3、大的电介质体电介质体，在其自身内部和周，在其自身内部和周围空间产生磁场。围空间产生磁场。 何以产生？何以产生？【电流电流+ +自转自转】61.引言 极光现象极光现象7论证：强烈碰撞，受激辐射；氧 - 绿氮 - 红1.引言地磁场研究历史l 古代中国（公元古代中国（公元0-1000-100年）：指南针年）：指南针 【四大发明四大发明之一。四大发明：造纸（公元之一。四大发明：造纸（公元105105）；印刷（约）；印刷（约10001000）；火药（约）；火药（约750750）；指南针（）；指南针（403-201BC403-201BC；汉朝汉朝202BC-220202BC-220）。）。第五发明：算盘（
4、第五发明：算盘（101101个世界个世界发明之一）发明之一）】l 沈括沈括(1090(1090年年): ):指南针的指向并不是正指南针的指向并不是正南方，而是和正南方有个向东偏的夹角。南方，而是和正南方有个向东偏的夹角。l Gilbert(1600Gilbert(1600年年) )：地磁起源理论：地磁起源理论l 奥斯特（奥斯特（Oersted1820Oersted1820）：电流的磁效应）：电流的磁效应l 法拉第法拉第(Faraday1821-31): (Faraday1821-31): 磁力线变化可产生电磁力线变化可产生电l Gauss(1839Gauss(1839年年) )：地磁场球谐分析
5、方法：地磁场球谐分析方法l 麦克斯韦麦克斯韦(Maxwell 1865)(Maxwell 1865)：麦克斯韦方程组，：麦克斯韦方程组，预言光是一种电磁波预言光是一种电磁波【建立了完整的地磁理论体系建立了完整的地磁理论体系】地磁场研究历史1.引言l 18701870年，发明了磁探矿仪年，发明了磁探矿仪l 19501950年，剩余磁化理论和古地磁学得到了极大年，剩余磁化理论和古地磁学得到了极大发展发展l 磁场探测卫星：磁场探测卫星：POGOPOGO（19651965年），年），MAGSET(1979MAGSET(1979年年) )，OerstedOersted(1999(1999年年) )，C
6、H A M P ( 2 0 0 0C H A M P ( 2 0 0 0 年年 ) ) ， S A C - C ( 2 0 0 0S A C - C ( 2 0 0 0 年年 ) ) ，SWARM(2013)SWARM(2013)地磁场研究历史1.引言2.地磁要素l 地磁场：地磁力线分布的空间称作地磁场地磁场：地磁力线分布的空间称作地磁场l 地磁要素地磁要素 geomagnetic element ：表示地球磁表示地球磁场方向和大小的物理量，包括三个独立分量：磁场方向和大小的物理量，包括三个独立分量：磁场强度场强度(F/T)(F/T)、磁偏角磁偏角(D)(D)、磁倾角、磁倾角(I)(I)。l
7、通常有通常有7 7个可供选择的分量（磁场强度可以分个可供选择的分量（磁场强度可以分解为解为5 5个分量）个分量）l 地磁测量就是用地磁仪器观测某一测点独立的地磁测量就是用地磁仪器观测某一测点独立的地磁三要素地磁三要素112.地磁要素12l 定义定义p 磁场强度：地表某点的地磁场强度是个矢量，用矢量T表示。矢量T在座标系的xoy水平面上及沿各座标轴的投影H、X、Y和Z分别称为水平分量、北分量、东分量和垂直分量。p 矢量T在水平面的投影H与x轴的夹角(即T的方位角)，称为偏磁角(D)p 矢量T的倾角，称为磁倾角(I)p 常用组合：(H,D,Z),(X,Y,Z),(T,D,I)2.地磁要素l 磁场强
8、度单位：磁场强度单位： p 1T（特斯拉：teslas）p =10000 G（高斯） p =109 nTp uT，mTl 地磁场强度大约是地磁场强度大约是0.5-0.60.5-0.6高斯高斯132.地磁要素l 武汉地磁各地磁要素如下：武汉地磁各地磁要素如下： p 地磁总强度：49316.5nT;p 磁偏角：-3.73;p 磁倾角：45.98;p 北向分量：34200.2nT;p 东向分量：2227.9nT;p 垂直分量：35461.3nT;p 水平分量34272.7nT。143.地磁场的组成l 地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内部的内源场和源于地球
9、上空电流体系的外源场。部的内源场和源于地球上空电流体系的外源场。（徐文耀，地磁学徐文耀，地磁学）p 内源场是地球空间磁场的主要部分，占地磁场99%以上，这部分磁场很稳定，只有缓慢的长期变化，进一步分为地核场和地壳场。p 地核场又称为主磁场，占95%以上，目前认为主要由地球内部熔化了的金属核流动引起。地壳场又称为局部磁异常场，由地壳磁性岩石产生，约占4%。p 内源场还应包括外部变化磁场在地球内部的感应场。153.地磁场的组成16! 地球表面地磁总强度等值线图(1995年)。等值线单位：nT。图中左上角和右下角的两个极大代表南北半球地磁极所在区域。南美洲东海岸及其附近海域的极小，通常称作南大西洋磁
10、异常；东西伯利亚的极大曾经被认为是另一个磁极，实际上是大陆磁异常。3.地磁场的组成l 地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内地球空间磁场由两部分构成，包括源于地球内部的内源场和源于地球上空电流体系的外源场。部的内源场和源于地球上空电流体系的外源场。p 变化磁场：外源场主要是变化磁场，源于地球外部并叠加在磁场上的各种短期变化磁场，占地磁场1%173.地磁场的组成l 基本地磁场基本地磁场p 在世界范围内选择若干个地磁观测站，测量该处的地磁要素数据，然后推算出世界各地的基本磁场，并以此作为地磁场的正常理论值。【方法？】l 磁异常磁异常p 实际工作中发现某地去实测地磁场要素的数据与正常值有显著的差别
11、，这种现象称为地磁异常。p 正异常和负异常184.地磁场的空间形态19主磁场近等效于一个偶极磁场。在几个地球半径的高空由于受太阳风的作用，形成特殊形态。4.地磁场的空间形态20地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响。地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围于是形成了一个被太阳风包围的、的、慧星状的地球磁场区域，这就是慧星状的地球磁场区域，这就是磁层磁层。4.地磁场的空间形态地球磁层位于地面地球磁层位于地面60060010001000公里高处，磁层的外边公里高
12、处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面界叫磁层顶，离地面5 57 7万公里。在太阳风的压缩下万公里。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，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，成一条长长的尾巴，称为磁尾称为磁尾。214.地磁场的空间形态在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突在磁赤道附近，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，厚度大约有其微，厚度大约有10001000公里。中性片将磁尾部分成两部分：公里。中性片将磁尾部分成两部分：
13、北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。224.地磁场的空间形态由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。波阵面与磁层顶个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为3 34 4个地球半径。个地球半径。234.地磁场的空间形态245.地磁场的特征l 主磁场主要来自于一个等效的中心偶极子磁场主磁场主要来自于一个等效的中心偶极子磁场来源于地球内部来源于地球内部，基本上稳定，只随时间非常缓慢变化的，基本上稳定，只随时
14、间非常缓慢变化的成分，是地磁场的主要部分，也称为地球的基本磁场。成分，是地磁场的主要部分，也称为地球的基本磁场。2510( , , )() (cossin)(cos )nnnmnmnmnmRV rambmPr n=1n=1的项，占全部磁场的的项，占全部磁场的80-85%80-85%，代表了地磁场空间分布的，代表了地磁场空间分布的主要特征。它相当于一个在地心按一定方位放置、磁矩为主要特征。它相当于一个在地心按一定方位放置、磁矩为MM的偶极子所产生的磁场，称该偶极子为的偶极子所产生的磁场，称该偶极子为“中心偶极子中心偶极子”。n1n1的项，称为非偶极子部分的项，称为非偶极子部分5.地磁场的特征l
15、磁极倒转磁极倒转磁极倒转的发现：磁极倒转的发现：磁石磁性的测定发现许多岩石有与现今地磁场相反方向的磁石磁性的测定发现许多岩石有与现今地磁场相反方向的磁化。磁化。【思考题：岩石磁化的原因？思考题：岩石磁化的原因？】磁极倒转的过程：磁极倒转的过程：【思考题：磁极倒转过程是瞬时思考题：磁极倒转过程是瞬时完成的吗？完成的吗？】磁极倒转的原因：磁极倒转的原因：【思考题：世界性难题思考题：世界性难题】265.地磁场的特征l 磁极倒转磁极倒转p 通常把保持一定的地磁极性的大阶段(大约相隔100万年以上)称为极性期，把每个极性期内的短期转向时间称为极性事件。如果根据不同时期岩石磁化的方向排列出地磁场转向的先后
16、顺序，并利用岩石同位素年龄测定方法测出各个极性期和极性事件的延续时间，就可以建立古地磁场转向年代表。27286.地磁场的成因29地磁极倒转问题讨论：（1）为何会倒转？【推理？】a)极性逐渐消失，另一个方向逐渐增长；将对动物（人类）产生不可估量的影响；b) 磁极缓慢迁移，直至倒转；6.地磁场的成因30地磁极倒转问题讨论：（2）恐龙灭绝与磁极倒转有关？【否】恐龙出现在2亿3500万年前（三叠纪中晚期）,灭绝于6500万年前5.地磁场的特征l 地磁场的变化地磁场的变化（1 1）主磁场的长期变化）主磁场的长期变化 偶极子磁矩的衰减偶极子磁矩的衰减 非偶极子磁场的西向漂移非偶极子磁场的西向漂移 主地磁场
17、的主地磁场的jerkjerk（2 2）变化磁场（短期变化）变化磁场（短期变化）315.地磁场的特征（1 1）主磁场的长期变化）主磁场的长期变化 偶极子磁矩的衰减偶极子磁矩的衰减 近百余年来地磁偶极矩在单调衰减，衰减速率近百余年来地磁偶极矩在单调衰减，衰减速率100100年可达年可达5%5%衰减速度在变化，衰减速度在变化，20002000年前是上升的。年前是上升的。【思考题：衰减的原因？难题思考题：衰减的原因？难题】325.地磁场的特征（1 1）主磁场的长期变化）主磁场的长期变化 非偶极子磁场的西向漂移非偶极子磁场的西向漂移 E.HalleyE.Halley在在1717世纪分析地磁偏角发现，地磁
18、场分布图形有世纪分析地磁偏角发现，地磁场分布图形有缓慢向西移动的事实。缓慢向西移动的事实。 n1 n1以上的部分每年向西漂移以上的部分每年向西漂移0.20.2度。度。 有的地方在向西漂移，有的地方没有漂移。有的地方在向西漂移，有的地方没有漂移。【思考题：非偶极子磁场的西向漂移是否具有全球特征？思考题：非偶极子磁场的西向漂移是否具有全球特征？】335.地磁场的特征（1 1）主磁场的长期变化）主磁场的长期变化 主地磁场的主地磁场的jerkjerk 地磁场的长期变化的突然变化地磁场的长期变化的突然变化34图形上，地磁场的长期变化被jerk“分成几段”，而在每一段内地磁场长期变化成线性变化趋势。5.地
19、磁场的特征（2 2）变化磁场（短期变化）变化磁场（短期变化） 除稳定的基本磁场及其缓慢的长期变化，地磁场还存在各除稳定的基本磁场及其缓慢的长期变化，地磁场还存在各种类型的短期变化，叫做变化磁场。种类型的短期变化，叫做变化磁场。 变化磁场来源于地球外部（太阳），占地磁场的百分之几变化磁场来源于地球外部（太阳），占地磁场的百分之几到万分之几。到万分之几。356.地磁场的成因l 所有的地磁成因理论都必须要所有的地磁成因理论都必须要p 一、能解释前述的地磁场特征才能认为是成功的p 二、与地面观测一致l 地磁场起源的成因假说地磁场起源的成因假说p 铁磁体假说p 热电假说p 双圆盘发电机假说366.地磁场
20、的成因l 铁磁体假说（解释偶极性）铁磁体假说（解释偶极性）p 由于地核基本上是由铁磁体（铁和镍）所组成的，基本依据就是地核的这种特有成分及其球状对称的形态。按照此假说，地核因其组成而自然成为一个磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特征的磁场。p 地核内的平均温度很高，远远超过了任一种铁磁性物体的居里点，所有的铁磁性体都将在这一温度下转变成顺磁性体，从而丧失其磁性。376.地磁场的成因l 热电假说（解释长期变化）热电假说（解释长期变化）p 热电假说提出地磁场具有电性。并通过计算得出，要形成今天的地磁场，需要约109A的电流强度。而要在地核中形成电流，必须借助于外核物质的热对流而在边界处产生电流，并
21、进而因此产生磁场，也就是“热电效应”。p 热电假说克服了居里点造成的困难，却产生了新的问题，那就是这种机制难以形成具有偶极特征的磁场，并且这种机制是否能产生足够强大的电流以形成地磁场，也没有得到确切的证实。386.地磁场的成因l 双圆盘发电机假说双圆盘发电机假说p 发电机模式的基本构思：初步估计，要产生地球主磁场需要维持109A的电流。p 自激发电机学说 (Larmor 1919; Elsasser 1946; Bulard 1949; Parker 1955; ;Glatzmaier 1995)：地核液态物质是铁磁性物质，具有很高的电导率，在初始磁场中运动，会产生感应电流；感应电流反过来又产
22、生磁场，叠加在原来的磁场上；如此循环反复，可达到某种强度的磁场。396.地磁场的成因l 双圆盘发电机假说双圆盘发电机假说p 单盘发电盘模型。406.地磁场的成因l 双圆盘发电机假说双圆盘发电机假说416.地磁场的成因42Glatzmaiers(1995)黄线：向外，蓝线：向内。a模拟结束之前9000年；b模拟结束前4000年，从地球表面看上去的地磁极倒转中间过程；c倒转后7.地磁场的测量l 地磁测量：应用地磁仪器观测某一测点独立的地磁地磁测量：应用地磁仪器观测某一测点独立的地磁三要素三要素l 地磁台：在测点能连续记录地磁场随时间变化地磁台：在测点能连续记录地磁场随时间变化l 野外测磁点：间断进
23、行地磁要素测量。野外测磁点：间断进行地磁要素测量。l 卫星或者航空测量：卫星或者航空测量：CHAMPCHAMP（20002000）、）、SAC-CSAC-C（20002000）、）、SWARMSWARM（20132013年）年）43SWARM:SWARM:三颗卫星，三颗卫星，2 2颗在颗在460KM460KM，1 1颗在颗在530KM530KM7.地磁场的测量44SWARM卫星7.地磁场的测量l 仪器仪器地磁台站（两套）：磁变仪，磁强计或磁力仪地磁台站（两套）：磁变仪，磁强计或磁力仪磁变仪，记录地磁场随时间的相对变化，测量磁变仪，记录地磁场随时间的相对变化，测量(H,D,Z)(H,D,Z)三要
24、素三要素磁强计或磁力仪，测量地磁要素绝对值的仪器，其磁强计或磁力仪，测量地磁要素绝对值的仪器，其中用来测定偏角和倾角的又叫地磁经纬仪中用来测定偏角和倾角的又叫地磁经纬仪457.地磁场的测量46磁力仪磁变仪地磁经纬仪8.地磁场的应用p导航导航 【信鸽信鸽】p 保护层 【人类】p 地磁勘探 【探矿】p 地球内部物理 【研究内部参数】p 短临地震预报 【压电效应】p 古地磁学 【大陆漂移】p 空间环境预测 【预判重大影响事件】p 地磁生物学 【影响生物、人类】p 478.地磁应用l 地磁导航：追踪磁力线地磁导航：追踪磁力线48【信鸽导航】【海龟导航】小结重点重点l地磁要素地磁要素l地磁场特征地磁场特征l地磁场的组成地磁场的组成了解了解地磁场成因地磁场成因地磁场应用地磁场应用下次课第下次课第8 8讲讲 大气圈大气圈4950谢谢！
