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1、地磁场的结构和作用地磁场是每时每刻都陪伴在我们身边的存在，从小学科学课程里第一次尝试用小磁针制作简易的指南针开始，我们就开始了对地磁场的好奇心。相比于一些抽象遥远的科学知识，对于生活在地球上的我们，地磁场似乎要亲切易感的多，但是，千百年来，尽管人们的探索从未停止，关于地磁场的秘密却并未全部揭开它的神秘面纱。对于我们来说，地磁场有着太多吸引人的魅力，它是如何产生的；它有着怎样的结构，怎样的特点；它的作用是什么地磁场的奥妙众多，在接下来的文章里我们将就“地磁场的结构和作用”展开深入的研究说明。一、 地磁场的结构归根结底，地磁场的本质还是磁场，所以，它必然有着磁场都具有的一些体征结构，比如，它也是N
2、，S两个磁极，在地磁场中也有着符合磁极位置规律存在的有向磁场，可以用磁感线描述。从外部基础特征来看，地球就像一个巨大的天然磁体，它的磁场与条形磁体的磁场极为相似（加图）。地磁场可视为一个磁偶极，其中一极（S）处在地理的北极附近，另一极（N）处在地理的南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜角。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引。地球磁圈在白昼区（向日面）受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球的黑夜区（被日面）则向外伸出（加图），这些都是地磁场的一些外现的结构特征。前文提到过，地磁场也具有普通磁场的结构特征，于是，磁场的磁极是以什么形式存在的，是如何能
3、够对外表现以上特征的，这些问题就是接下来的课题了。那么，再进一步探究其更深层次的结构前，就不得不先就另一个问题进行说明，那就是：地磁场是如何产生的。关于地磁场的成因至今还没有定论，但是较重要的说法有三种：铁磁体假说、热电假说和双圆盘发电机假说。首先，铁磁体假说。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。但是，众所周知的，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。因此铁磁体假说是不成立
4、的 然后，热电假说。该假说首先考虑到地磁要素具有快速变化的特点（比如向西漂移的周期不超过2000年），肯定了地磁场与地壳和地幔无关的推断。这是因为，地壳和地幔主要是呈固态的，这就决定了其中的各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十或几百年尺度的明显变化。与之相对的，外地核是处于液态的，它所具有的流动特征使之能够快速反应外部的激励和变化，从而能够和地磁场的短尺度变化相吻合。从这出发，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
5、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。 最后就是：双圆盘发电机假说。这也是目前为止获得最多支持的假说。（图） 当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流I1和I2。这两种电流形成磁场而极性相反，其强度会明显地超过外部附加的初始磁场的强度。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转。根据这种双圆盘发电机假说，在地核中这两种方向相反的电流，可由液态的外核物质的热对流（混合作用）产生，这种对流可以引起液
6、态地核表层旋转出现某种减慢（相对于地幔底面而言），引起外核表层减慢的层位中产生的磁场异常向西位移。这为地磁场的西向漂移提供了动力学解释。发电机模式的作用原理是以自激为前提的，它可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种特点。但这并不意味着地磁场的成因问题已经彻底解决了。问题出在发电机假说是以假设外地核中有热对流存在为基础的，后者又基于地核对地震横波的屏蔽能力外核呈液态的推断。但无论是外核的液态还是其中的热对流，至今都不是科学上经过证实的事实。此外，问题不仅涉及到地磁场的成因，也涉及到磁铁相互作用的理论。因此，严格地说，最后解决地磁场的起因问题还需进一步努力。关于成因的问题讨论到这里，虽然我们并没有
7、得到一个足够科学的确实解释，但是基于此转开的对于地磁场机构的了解还是得到了一些的。以可能性最高的第三种假说，也就是双圆发动机盘假说为例。如果双圆盘发动机假说是成立的，那么我们可以猜测出地磁场结构中的核心部位磁体，是由于液态外和表面上的对流流动，导致封闭的螺旋式环形电场的形成（图）。也就是说，地磁体的磁体其实是由电流的作用而形成的，类似于电磁铁的性质，不是自身具有的天然结构，而是利用电生磁而形成的磁体。这便是起源对于结构的解释作用，因为地磁场的起源目前还没有准确的说法，所以，磁场的结构目前也没有足够完善的说明，但是我们可以肯定的是，地磁场也和普通的磁场一样具有它们的一般结构和特点，只是作为磁场主
8、体的磁体，也就是地球，我们还需要进一步的探索研究。二、 地磁场的作用地磁场是我们生活在地球上不可或缺的存在，它的存在对人类以及生活在地球上的各个物种都有着重要作用。对于地磁场的作用，科学家们展开了长久的探索研究，目前发现的就已经充分的说明了地磁场对于我们的重要性，接下来就其中的几点详细的谈一下。众所周知，地球上的生物经过了长久的进化，才发展成今天的形态。在这个进化的过程中，地磁场就起了重要的作用。美国学者FL辛克勒认为，地磁场对地球上的生物体有着重要的作用，是生物进化的一个非常重要的因素。他说：进化是建立在物种遗传系统发展的严格物理定律基础上的，而地磁场则是这种控制机理的主要因素之一。他甚至已
9、认识到，地磁场从遗传系统深远结构的基础开始，制约着进化的过程。早在20世纪30年代，地球物理学家便发现，地球的磁场的极性在漫长的地质时期曾发生过多次倒转，地磁场极性倒转时，其南极和北极便会倒过来，即南极变成了北极，北极变成南极。据研究，地磁场最近的一次极性倒转发生在69万年前。进一步的研究表明，完善而广泛的分析，不仅揭示出动物群的个别代表，如海洋自然生物门，而且也揭示出包括人类在内的整个生物界的进化与突然的地磁场变化(即地磁场极性倒转)之间有紧密的联系。同时还有研究指出，地磁场的变化与晚、中期寒武纪(5.15.7亿年)、石炭纪初期和泥盆纪晚期(34亿年)、三叠纪晚期和二叠纪(22.45亿年)、
10、早第三纪开始和自垩纪晚期(0.350.75亿年)内的地球生物进化的大灾变有着明显的联系。根据对古生物化石的统计分析，科学家发现，自显生宙以来，地球上共发生了5次大规模的生物绝灭现象。这5次大绝灭所在的地质时期分别是晚奥陶纪、晚泥盆纪、晚二叠纪、晚三叠纪和晚白垩纪。人们发现，在每次生物的大绝灭之后，通常紧跟着一个引起生态更替的较大而迅速的辐射适应，形成生物的爆发式的进化分异，从而使全球生物区系发生巨大的变化。许多研究表明，生物的绝灭和新生进化，与地磁场的变化有着密切的关系。关于地磁场变化加速生物的新生和进化的事例也不少，最引人瞩目的就是人类的出现和进化。最早的古猿化石正好出现在吉尔伯特期的前期，
11、而人类化石的最早发现物则对应着高斯时期的后半期和末期，在这时期，地磁变化的两个事件马昌司事件（3.062.94）百万年前和卡伊拉事件（2.942.8百万年前）至少具有四次地磁场极性变化。由此，许多人提出我们人类出现的决定因素是高斯和松山时期分界线的全球性地磁场极性倒转。一位叫马泰厄欣的学者认为，在特定时期和事件内，人类化石模式标本的出现，揭示了在其后时期在地磁倒转与人的特殊变化出现之间的关系。例如，松山时期能人的出现及太古“人”、古人和早期智人的出现与布容时期的前半和后半期的地磁倒转相一致。由此可以看出，地球生物进化发展的主要阶段与地磁极性倒转变化常常表现出一致性。地磁场影响生物的进化，主要是
12、通过控制进化过程基因漂移、微演化过程、染色体器官的变化的整个遗传过程来实现的。此外，地磁场还能通过生物膜的渗透性机理作用于遗传过程。由此可见，地磁场在生物的进化过程中，扮演着十分重要的角色。地球上还有许多现象也都是受到了地磁场的影响的。像海龟、鲸鱼、候鸟等众多迁徙动物均能走南闯北，每年可旅行几千公里，中途往往还要经过汪洋大海，但是还能测定精确的位置。是因为绿海龟等对不同地理位置间的地磁场强度、方向的差别十分“敏感”，类似的，信鸽能在遥远的地方飞回而不迷失方向，也是由于地磁的帮助。除了对动物的影响，地磁场对于人类的作用更是强大，地磁场图记录了地球表面各点的地磁场的基本数据和它们的变化规律，它是航
13、海、航空、军事以及地质工作不可缺少的工具。船舶和飞机航行时，用磁罗盘测得的是地磁方位角，因此只有知道了当时当地的磁偏角数值，才能确定地理方位和航行路线。地球上某些地区的岩石和矿物具有磁性，地磁场在这些埋藏矿物的区域会发生剧变，利用这种地磁异常可探测矿藏，寻找铁、镍、铬、金以及石油等地下资源。 在发生强烈地震之前，地磁的三要素也都会发生改变，造成地磁局部异常的“震磁效应”。这是由于地壳中的岩石，有许多是具有磁性的，当这些岩石受力变形时，它们的磁性也要跟着变化，从而可以较正确地做出“震前预报”。这些都是地磁对于人类的作用，很早之前人们就开始使用的指南针就更不用说了。此外，地磁场的存在，还能保护地球大气层不被太阳风吹走；屏蔽了大部分高空宇宙射线的伤害性辐射；帮助红细胞顺利地通过毛细血管可以说，地磁场是地球生命延续的保护性物质。 以上多说的都是地磁场的重要作用，虽然做不到足够全面和详尽，但是还是能让大家对于地磁场的重要作用有了一定的了解。这就是这篇文章的全部内容，就地磁场的结构和作用做了简单的说明，相信，随着科学的进步，人们对于地磁场的了解会越来越深刻，也能够更好的利用好地磁场
