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地球磁场倒转原因

地球磁场
根据地磁场起源理论,地磁场磁极之所以发生倒转,是由地核自转角速度发生变化而引起的。地壳和地核的自转速度是不同步的,现阶段地核的自转速度大于地壳的自转速度。然而,40亿年前,情况却不是这样,那时地球表面呈熔融状态,月球也刚刚被俘获,地球从里到外的自转速度是一致的,地球表面不存在磁场。但是,随着地球向月球传输角动量,地球的自转角速度越来越小。同时,地球也渐渐形成了地壳、地幔和地核三层结构。地球自转角动量的变化首先反映在地壳上,出现了地壳自转速度小于地核自转速度的情形。这时,在地球表面第一次可以感受到磁场的存在,地核以大于地壳的自转速度形成了地磁场。按照左手定则,磁场的N极在地理南极附近,磁场的S极在地理北极附近。地壳与地核自转角速度不同步,这种情形并不能长久地保持下去,地核必然通过地幔软流层物质向地壳传输角动量,其结果是地核的自转角速度逐渐减小,地壳的自转角速度逐渐增大。当地壳与地核的自转角速度此增彼减而最终一致时,地磁场就会在地球表面消失。地核与地壳间的角动量传输并不会到此为止,在惯性的作用下,地壳的自转角速度还在继续增大,地核的自转角速度继续减小,于是出现了地壳自转角速度大于地核自转角速度的情形。这时,在地球表面就会感受到来自地核逆地球自转方向的旋转质量场效应。按照左手定则判断,新形成的地磁场的N极在地理北极附近,S极在地理南极附近。从较长的时期看,整个地球的自转速度处在减速状态,但地壳与地核间的相对速度却是呈周期性变化的,这就是每隔一段时间地球磁场就要发生一次倒转的原因。   
据测定,地磁场发生倒转前有明显的预兆,地球的磁场强度减弱直至为零,随后,约需一万年的光景,磁场强度才缓缓恢复,但是,磁场方向却完全相反。目前,地球磁场强度有逐渐减弱的趋势,在过去的4000年中,北美洲的磁场强度已减弱了50%,这说明地核相对地壳的速度差正在缩小。值得说明的是,无论地球表面测得的地磁场方向如何发生变化,但是,在太空中地磁场的方向却始终是不变的。因为在太空中测得的地磁场,是整个地球自转产生的旋转质量场效应,并不会因为地壳与地核相对速度的改变而发生变化。根据左手定则,在太空中测得的地磁场的N方向始终在地理南极上空。   
在电磁感应效应中,通电导体产生的磁场强度与电流强度成正比,即与导体内“定向移动”的自由电子数目成正比。而每个电子的自旋角动量又是恒定的,所以磁场强度实际上是与所有电子的自旋角动量之和成正比。同理,宏观物体产生的磁场强度,也应与旋转质量场的角动量成正比,即与物体的质量和自旋角速度成正比,与质量场的旋转半径(观测点到物体质心的距离)成反比。用公式表示为:H = f mω/r = f 0 m / T r (f 0为常数,T为自转周期,r为旋转质量场半径)   
根据这一公式,在地球表面测得的磁场强度H,只与地核的质量成正比,角速度ω的取值为地壳与地核自转角速度之差,r为地球的半径(地磁场强度为5×10-5特斯拉)。而地球在太空中形成的空间磁场,其磁场强度与整个地球的质量成正比,与地球的自转角速度成正比(近似值),与观测点到地球中心的距离成反比。因此,在近地球的宇宙空间,地球所形成的空间磁场强度大于地表的磁场强度。空间磁场的最大特点是磁极恒定,不会像地球表面磁场那样发生磁极倒转现象。
 

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