[科普中國]-地磁學(xué)

簡介

地磁場所占據(jù)的空間從地核至磁層邊界，磁層離地心最近的距離也有 8～ 13個地球半徑 。地磁場的主要部分來自地球內(nèi)部 ，稱為地球基本磁場；地球短周期變化磁場則來源于高空電離層和磁層的電流體系。利用地面和近地面空間地磁場的變化規(guī)律可以得到有關(guān)電離層和磁層的物理狀態(tài)和動力過程的某些信息。變化磁場還與太陽活動有密切關(guān)系。有關(guān)日地關(guān)系的研究是地磁學(xué)的重要組成部分。利用地表磁異?？辈榈叵碌V床是地球物理勘探的方法之一。觀測由高空電磁波引起的地球內(nèi)部的感應(yīng)電磁場可探測地球內(nèi)部的電性構(gòu)造。

固體地球物理學(xué)的一個分支，是研究地磁場的時間變化、空間分布、起源及其應(yīng)用的一門學(xué)科。地磁場所占據(jù)的空間從地核至磁層邊界。磁層離地心最近的距離（向陽面）也有8～13個地球半徑。地磁場的歷史,利用巖石磁性的測量已可追溯到太古代（約35億年前）。

分支利用巖石磁性來研究古地磁場，在20世紀(jì)50年代已形成地磁學(xué)的一個分支——古地磁學(xué)。各大陸所測得的古地磁極移是板塊大地構(gòu)造學(xué)說的重要依據(jù)。地磁學(xué)的另一個重要內(nèi)容是地磁測量。隨著觀測儀器的改進和測量技術(shù)的發(fā)展，人們除能在陸地和海上進行地磁測量外，還發(fā)展了航空和衛(wèi)星測量。

地磁場的主要部分來自地球內(nèi)部，稱為地球基本磁場?；敬艌鲭S時間有緩慢的長期變化；地球短周期變化磁場則來源于高空電離層和磁層的電流體系。地磁場隨時間的變化和在空間的分布規(guī)律，是地球內(nèi)部和高空電磁過程的表現(xiàn)。因此利用地面和近地面空間地磁場的變化規(guī)律可以得到有關(guān)電離層和磁層的物理狀態(tài)和動力過程的某些信息。這是電離層和磁層物理的重要內(nèi)容。變化磁場還與太陽活動有密切關(guān)系。有關(guān)日地關(guān)系的研究內(nèi)容是地磁學(xué)的重要組成部分；由地面磁場的測定還可以研究地球內(nèi)部的電磁性質(zhì)和地核中的磁流體動力學(xué)過程；而利用地表磁異?？辈榈叵掠杏玫V床，則是地球物理勘探的一個重要方法。

利用巖石磁性來研究古地磁場，在20世紀(jì)50年代就已發(fā)展成為地磁學(xué)中的一個重要分支──古地磁學(xué)。古地磁學(xué)是20世紀(jì)60～70年代地磁學(xué)中最活躍的領(lǐng)域。各個大陸所測得的古地磁極移，是板塊大地構(gòu)造學(xué)說的重要支柱。因此有人說，20世紀(jì)地學(xué)最重要的成就是在地磁學(xué)領(lǐng)域取得的。

地磁學(xué)的另一個重要內(nèi)容是地磁測量。隨著觀測儀器的改進和測量技術(shù)的發(fā)展，人們除能在陸地和海上進行地磁測量外，還開展了航空和衛(wèi)星測量。

中國早在戰(zhàn)國時期（公元前475～前221）就已發(fā)現(xiàn)天然磁石的吸鐵性和指極性，在12世紀(jì)之前就已發(fā)明了指南針。但早期主要是著眼于這一現(xiàn)象在航海上的應(yīng)用。1600年吉伯 (W.Gilbert)提出，磁針的指極性是由于地球本身象一塊巨大的磁石。這是地磁場本質(zhì)的最早論斷，也是地磁學(xué)開始形成的早期標(biāo)志。隨著地磁場測量技術(shù)的發(fā)展和觀測資料的積累，1839年C.F.高斯首次將球諧分析法用于分析地球磁場，奠定了地磁場分析的理論基礎(chǔ)。1

起源地磁場的起源問題尚未獲得圓滿解決。有關(guān)地磁場長期變化的規(guī)律，尚有許多爭議。全球地磁測點的分布也還不夠均勻。

盡管對地磁場的認(rèn)識已有較長的歷史，但起源問題至今仍未獲得圓滿解決；地磁場的測量迄今只有 400年的歷史，雖然巖石磁性的測量在一定程度上擴大了人們對地磁場認(rèn)識的時間范圍，但其精度還不是很高的，因此有關(guān)地磁場長期變化的規(guī)律，目前仍有許多爭議；就是近代測量，全球測點的分布也還不夠均勻，要確定較為理想的全球地磁場模型仍然是困難的。今后，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，將會獲得更豐富的觀測資料，這無論對地磁場規(guī)律的探索，還是有關(guān)高空和地球內(nèi)部的研究以及它們的應(yīng)用都將是極為重要的。2

發(fā)展歷史中國最早發(fā)現(xiàn)磁石及地磁現(xiàn)象，并在公元前就發(fā)明了羅盤，在838～1099年間應(yīng)用羅盤航海。歐洲 從12世紀(jì)開始應(yīng)用羅盤。意大利航海家哥倫布 (C. Colombo，1451～1506) 從歐洲航行到美洲時，發(fā)現(xiàn) 了磁偏角。1510年哈特曼 (G.Hartman) 在羅馬首次發(fā)現(xiàn)了磁傾角。1600年英國學(xué)者吉爾伯特 (W.Gilbert) 指出： 地球是個巨大的球形磁石。這是 有關(guān)地磁場成因的最早論述。至17世紀(jì)末，所有地 磁觀測僅限于測量磁偏角及磁傾角，還無法測定磁 力的大小。1839年德國物理學(xué)家高斯 (C.F. Gauss，1777～1855) 的經(jīng)典著作《地磁力的絕對強 度》問世，創(chuàng)建了地磁場的球諧分析方法，證實了吉爾伯特的觀點，奠定了地磁場定量分析的理論基礎(chǔ)。 據(jù)高斯理論可以測定地磁力大小。1840年高斯又發(fā)表了《地磁概論》，對地磁場作了周密的數(shù)字分析， 奠定了地磁場理論分析的基礎(chǔ)。與此同時，俄國學(xué)者西蒙諾夫 (И.Симонов，1794～1855) 于1835年發(fā) 表了《地磁學(xué)理論的試探》，指出地磁場是地球內(nèi)部均勻分布的磁性粒子作用的產(chǎn)物。高斯與西蒙諾夫是 研究地磁學(xué)的先驅(qū)。地磁測量工作始于16世紀(jì)， 1538年卡斯特羅 (J.D.Castro) 精密地測定了歐洲至 東印度的海上磁偏角。1832年高斯創(chuàng)立了測量地磁 場強度絕對值的方法，并與德國物理學(xué)家韋伯 (W.E.Weber，1804～1891) 共同創(chuàng)立了“高斯單位 制”，加速了各國地磁場的測定。19世紀(jì)開始應(yīng)用地磁異常尋找磁鐵礦，推動了地磁學(xué)的應(yīng)用研究及磁測方法研究。19世紀(jì)20年代，世界各國建立了第一批地磁臺。1957～1958年，國際科協(xié)組織了三次地磁學(xué)研討會，全面討論了地磁場的時空分布特征及各類地磁現(xiàn)象，充實了地磁學(xué)理論。當(dāng)今對巖石古磁場的研究，推動了板塊構(gòu)造學(xué)說的研究。地磁學(xué)正向著應(yīng) 用階段發(fā)展。

地磁學(xué)的研究內(nèi)容分為兩個體系：①地球的基本磁場。包括穩(wěn)定磁場的基本規(guī)律、地磁場要素及研究方法、地磁場的結(jié)構(gòu)及長期變化。鐵磁現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)、巖石磁性研究、古地磁學(xué)的基本原理及研究方法；②地球的變化磁場。包括地磁場的變化及其研究方向、周期性地磁變化、地磁擾動、伴隨地磁變化的各種自然現(xiàn)象、極光及磁擾動理論。當(dāng)今地磁學(xué)的研究，趨于由地面、洋面向高空發(fā)展，將磁性探測儀安 放于火箭及人造衛(wèi)星上，接收高空大氣層、太陽風(fēng)、行星星際磁場與地磁場有關(guān)的資料。在處理各種復(fù)雜 地磁異常的計算問題及原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理上，電子計算機將發(fā)揮重要作用。

固體地球物理學(xué)亦稱“大地物理學(xué)”。研 究地球起源和演化、內(nèi)部構(gòu)造和組成、物理性質(zhì)以及所發(fā)生的各種物理過程的學(xué)科。是地球物理學(xué)的一 個分支。把地球作為一個固體模型， 研究其彈性、密度、重力、潮汐以及 與此有關(guān)的地球自轉(zhuǎn)、地磁場、地球內(nèi)熱、內(nèi)部構(gòu)造等地球物理課題。主 要包括地震學(xué)、地磁學(xué)、重力學(xué)、地?zé)釋W(xué)、地球物理勘探(即應(yīng)用地球物理學(xué))、大地構(gòu)造物理學(xué)、地球內(nèi)部 物理學(xué)等分支。近代科學(xué)發(fā)展，經(jīng)常涉及到固體地球物理學(xué)中的各種地球物理場，地球內(nèi)部物理狀態(tài)、性質(zhì)和運動特征等方面。20世紀(jì)70年 代以來，固體地球物理學(xué)中逐步形成了一些新的研究領(lǐng)域，諸如極移、 磁極倒轉(zhuǎn)、板塊構(gòu)造、地震預(yù)報等。3