27
28
6.地磁场的成因
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)；
b) 磁极缓慢迁移，直至倒转
29
6.地磁场的成因
地磁极倒转问题讨论：
（2）恐叠纪中晚期）,灭绝于6500万年前
n=1的项，占全部磁场的80-85%，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M 的偶极子所产生的磁场，称该偶极子为“中心偶极子”。 n>1的项，称为非偶极子部分
25

n
5.地磁场的特征
磁极倒转
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 磁化。【思考题：岩石磁化的原因？】
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 。
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。
4
地球周围存在着磁场，称地磁场 （Geomagnetic field）
1.引言
地磁场的形式
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 1975 年 已 漂 移 到 北 纬 76.1°，西经100.00°。
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。
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。
35
6.地磁场的成因
所有的地磁成因理论都必须要
一、能解释前述的地磁场特征才能认为是成功的
二、与地面观测一致
地磁场起源的成因假说
铁磁体假说 热电假说 双圆盘发电机假说
36
6.地磁场的成因
铁磁体假说（解释偶极性）
1.引言
地磁场研究历史
1870年，发明了磁探矿仪
1950 年，剩余磁化理论和古地磁学得到了极大 发展
磁 场 探 测 卫 星 ： POGO （ 1965 年 － ） ， MAGSET(1979 年 ) ， Oersted(1999 年 ) ， CHAMP(2000 年 ) ， SAC-C(2000 年 ) ， SWARM(2013)
37
6.地磁场的成因
热电假说（解释长期变化）
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，并进而因此产生磁场，也 就是“热电效应”。
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。
第 7 讲
地磁场
申文斌 邓洪涛 罗佳 徐新禹
2014.5.16
1
提纲
引言
地磁要素
地磁场的组成
地磁场的空间形态
地磁场的特征
地磁场成因
地磁场的测量
地磁场应用
2
地磁场示意图
3
1.引言
地磁场的形式
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 11.5°。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 。
5
1.引言
地磁场的形式
长期观测结果
（）
6
1.引言
磁现象？ 地球是一个巨大的电介质体，在其自身内部和周 围空间产生磁场。
何以产生？【电流+自转】
7
1.引言
极光现象【论证：强烈碰撞，受激辐射；氧：绿】
8
1.引言
地磁场研究历史
古代中国（ BC约 300 年）：指南针 【四大发明 之一。四大发明：造纸（公元 105 ）；印刷（约 1000）；火药（约750）；指南针（403-201BC
12
2.地磁要素
定义
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 。
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) 矢量T的倾角，称为磁倾角(I) 常用组合：(H,D,Z),(X,Y,Z),(T,D,I)
磁极倒转的过程：【思考题：磁极倒转过程是瞬时 完成的吗？】
磁极倒转的原因：【思考题：世界性难题】
26
5.地磁场的特征
磁极倒转
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。
39
6.地磁场的成因
双圆盘发电机假说
单盘发电盘模型。
40
6.地磁场的成因
Glatzmaiers(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
42
7.地磁场的测量
地磁测量：应用地磁仪器观测某一测点独立的地磁 三要素 地磁台：在测点能连续记录地磁场随时间变化 野外测磁点：间断进行地磁要素测量。 卫星或者航空测量：CHAMP（ 2000）、 SAC-C（ 2000）、SWARM（2013年）
24
5.地磁场的特征
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，基本上稳定，只随时间非常缓慢变化的 成分，是地磁场的主要部分，也称为地球的基本磁场。
R n V (r , , ) ( ) (anm cos m bnm sin m )Pnm (cos ) n 1 m 0 r
；汉朝202BC-220）。第五发明：算盘（101个
世界发明之一）】
沈括(1090年):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。
1.引言
地磁场研究历史
Gilbert(1600年)：地磁起源理论 奥斯特（Oersted1820）：电流的磁效应 法拉第(Faraday1821-31): 磁力线变化可产生电 Gauss(1839年)：地磁场球谐分析方法 麦克斯韦 (Maxwell 1865) ：麦克斯韦方程组， 预言光是一种电磁波【建立了完整的电磁理论体系 】
垂直分量：35461.3nT;
水平分量34272.7nT。
15
3.地磁场的组成
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。 （徐文耀，地磁学）
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。 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%。 内源场还应包括外部变化磁场在地球内部的感应场。
22
4.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 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。
23
4.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 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3～4个地球半径。
SWARM:三颗卫星， 2颗在460KM，1颗在 530KM
43
7.地磁场的测量
磁力仪 磁变仪
45
地磁经纬仪
8.地磁应用
导航 【信鸽】
保护层 【人类】
地磁勘探 【探矿】 地球内部物理 【研究内部参数】 短临地震预报 【压电效应】 古地磁学 【大陆漂移】
【思考题：衰减的原因？难题】
32
5.地磁场的特征
（1）主磁场的长期变化
非偶极子磁场的西向漂移
E.Halley 在 17 世纪分析地磁偏角发现，地磁场分布图，有 缓慢向西移动现象。 n>1以上的部分每年向西漂移0.2度。 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？】
33
5.地磁场的特征
（1）主磁场的长期变化
主地磁场的jerk
地磁场的长期变化的突然变化
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。
34
5.地磁场的特征
（2）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 种类型的短期变化，叫做变化磁场。
【参考系问题？】
13
2.地磁要素
磁场强度单位：
1T（特斯拉：teslas）
=10000 G（高斯） =109 nT uT，mT
地磁场强度大约是0.5-0.6高斯
14
2.地磁要素
武汉地磁各地磁要素如下：
地磁总强度：49316.5nT;
磁偏角：-3.73°; 磁倾角：45.98°; 北向分量：34200.2nT; 东向分量：2227.9nT;