无线接入网络关键技术:地球存在磁场的原理

在1940年代，物理学家就公认：三个基本条件对产生任何的行星磁场是必需的，并且自那以后的其他发现都是建立在这一共识之上。第一个条件是：要有大量的导电流体——地球地心的外核是富含铁的流体。这个临界层包裹着一个几乎纯铁的固态地心内核，深埋在厚重的地幔和极薄地大陆、海洋地壳之下。距离地表的深度约2900千米。地壳和地幔重量带来的极大负荷，造成了地核内的平均压力是地表压力的200万倍。此外，地心的温度也同样极端——大约为摄氏5000度，和太阳表面的温度相近。

这些极端的环境条件，构成了行星发电机的第二要件：驱动流体运动的能量来源。驱动地球发电机的能量，部份是热能，部份是化学能——两者都在地心深处造成浮力。就像一锅在火炉上熬着的汤一样，地心的底部比顶部热（地心的高温是地球形成时截留在地球中心的热能）。这意味着地心底部较热的、密度较低的铁趋向于上升，就像热汤里的水滴。当这些流体到达地心顶部时，会由于碰到上覆的地幔而丧失部份热量。于是液态铁会冷却、密度变得比周围的介质高，从而下沉。这个通过流体的上升和下降来自下而上传递热量的过程称为热对流。

现任职于美国加州大学洛杉矶分校的Stanislav Braginsky在1960年代指出过，热量从地心上部的外核逸出也会导致地心固态内核体积的膨胀，产生两种另外的浮力来源来驱动对流。当液体的铁在固态内核的外部凝固成晶体时，潜在的热量——结晶热会作为副产品被释放出来。这些热量有助于增强热浮力。此外，密度较低的化合物（如硫化铁和氧化铁）被内核的结晶体排出并穿过外核上升，也会加强对流。

行星要产生自维持的磁场，还需要第三个条件：旋转。地球的自转通过科里奥效应（Coriolis effect）使地心内上升的流体偏转，就像我们在气象卫星影像上看到的洋流和热带风暴被科里奥效应扭曲成熟悉的漩涡状一样。在地心中，科里奥力（Coriolis forces）使上涌的流体偏转，沿着螺旋形的轨迹上升，仿佛沿着松弛弹簧的螺旋状金属线运动。

地球有着一个富含铁的液态地心能够导电、有足够的能量驱动对流、有科里奥力使对流的流体偏转，这些是地球发电机能够维持它本身数十亿年的主要原因。但科学家需要更多证据来回答磁场的形成和为什么随着时间的推移会改变极性等令人迷惑的问题。

根据卫星测量数据外推至地心-地幔边界的地球磁场的等高线图显示大部分磁通量是在南半球穿出地心，在北半球进入地心。但是在少数特殊区域，确实出现了相反的情况。这些反向通量带在1980年和2000年之间增长和扩张；如果它们覆盖了两极，接着就会发生极性反转。

地球是一个大磁场，地磁性质是地质学家探究地球历史的重要手段之一。
地球存在磁场的原因还不为人所知，现在普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“发电机理论”。岩石记录表明，在地质历史上地磁场的磁极是不稳定的，常常出现倒转，于是古地磁资料又蕴涵着丰富的地球历史记录。
地壳表层以及上地幔中存在一些磁性矿物，这些矿物的不均匀分布造成磁场的地区差异，根据磁场的空间分布，可以寻找矿床，了解壳幔结构等构造特征。

最近150年来，地磁偶极子所产生的磁场正持续地急剧衰减，如果以这种速率发展下去，地磁场将在下个千年的某个时期彻底消失。

鸟类和指南针之所以能够辨别南北，是因为地球的磁场像一个巨大的磁铁棒，两极的磁场线与地球的自转轴非常接近，这是简单的物理学常识。

鲜为人知的是，最近150年来，地磁偶极子所产生的磁场，正持续地急剧衰减，如果以这种速率发展下去，地磁场将在下个千年的某个时期彻底消失。如果地磁保护伞遭到严重破坏，高能宇宙粒子和太阳粒子将毁坏人造卫星，与人类息息相关的事物将暴露在致命的辐射之下。值得庆幸的是，地磁偶极子的消失是暂时的，是一种磁极逐渐向南偏转的现象，这种偏转最终致使指南针指向南极而不是北极。古老岩石内部的磁矿物表明，在过去的5亿年中，地球发生过数百次这种所谓的地磁极性倒转，但是还没有一种方法能够确定这类事件发生的具体时间，因此也就不可能预测地磁极性倒转的发生。

大多数地球物理学家都接受这样的假设：有一层2200公里厚的熔融态的铁在地核内流动，产生地球的基本磁场。但是直到大约6年前，才有学者编写出复杂的计算机程序，模拟地核运动及其磁效应。现在，有些程序不但能模拟地核运动，甚至模拟地磁极性倒转，有些仅需1200年就可以完成——这在地质年代中只是一眨眼的时间。

地球内部存在的液态铁，相当于我们物理学中讲的铁芯，外层是固态的地壳，但是地壳上并电平衡的，有各种带电离子的存在，由于地球的自转，固态外壳的速度总上要高于液态的内核，绕内核自转产生了一定的电流，因些就相当于在铁芯外加一个带电的线圈，学过物理的人都知道这样就会产生磁场，由于地球极大，自转的速度又极慢，一天一圈吧，因此产生的电流也极小，从而磁场也较小。

这个目前只有一些猜测，实际情况到底是怎么样的尚没有定论。

地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“发电机理论”。岩石记录表明，在地质历史上地磁场的磁极是不稳定的，常常出现倒转，于是古地磁资料又蕴涵着丰富的地球历史记录。

地壳表层以及上地幔中存在一些磁性矿物，这些矿物的不均匀分布造成磁场的地区差异，根据磁场的空间分布，可以寻找矿床，了解壳幔结构等构造特征。