将一根磁化了的钢针轻放在支点之上, 它会转动好些下, 最终大致停歇在南北方向。此现象太过常见, 以至于人们极易以一句“地球是个大磁铁”终结解释。然而这句话只对了一半。地球的磁场的确在地表颇似一根倾斜的条形磁铁所产生的场, 但是地球深处并无一块尺寸惊人的永久磁石。指南针所回应的, 乃是液态金属外核里持续运动的导电流体所维系的全球磁场。为了从磁石指明方向迈向地核发电机, 人类耗费了两千多年的时间。
天然磁石是那种有着磁性的磁铁矿, 古人很早便晓得它能够吸引铁, 还晓得经过磁化的针以及磁石于自由转动之际会选择某个方向, 在中国, 有关磁石指向的记载有着悠长的历史, 宋代已然出现了相对明确的磁针导航技术, 沈括在十一世纪的《梦溪笔谈》里面描述运用磁石去磨针从而使得它带有磁性, 并且注意到磁针所指并非严格朝着正南, 而是会存在轻微的偏差, 这个细节后来被称作磁偏角, 它表明指南针可不是一个直接指向地理极点的神秘箭头。
十二世纪往后, 欧洲文献里同样存在指南针被用来航海的记录。磁针给远洋航行带去了重大助力。这是由于在阴云挡住太阳与星辰的时候 , 船员依旧能够维持大致的航向。然而实用并不等同于理解。磁石为何会有两个极? 为何同极相斥且异极相吸? 为何不管怎样切割磁石 , 每一小块都仍然拥有南北两极? 更为根本的问题是。遥远的北方到底有什么在牵引着针尖?
1269年, 有位名为佩特鲁斯·佩雷格里努斯的法国学者, 在一部名为《论磁石书信》的著作里, 对磁体的极以及相互作用进行了系统的描述。他把小铁针放置在球形磁石的表面, 沿着不同的位置记录方向, 又将线条往外延伸到两个汇聚的区域, 通过这样的方式确定了磁极。他还针对磁体分割之后依旧会形成新两极的现象展开了讨论。像这样的实验, 把磁学从零散的传说推进到了能够进行重复的几何研究, 然而地球与指南针之间的关系, 仍旧没有获得统一的说明。
磁学问题因大航海时代而变得迫切起来, 航海者察觉到, 指南针方向会跟着地点发生变化, 乃至于同一地点也会伴着年代缓慢地改变, 磁针不但有水平方向上的偏角, 而且还会在竖直平面内出现倾斜, 十六世纪时, 英国仪器制造者罗伯特·诺曼留意到, 平衡好了的磁针经过磁化之后会有一端往下沉, 他制造出能够绕水平轴转动的磁针, 用以测量伦敦附近的磁倾角, 要是北半球磁力线斜着进入地面, 那么针就不会仅仅在水平面内指北。
1600年 , 英国有个叫威廉·吉尔伯特的医生 , 出版了《论磁石》 , 这成了地磁学史上的转折点。吉尔伯特收集了大量磁学经验贝语网校，还对这些经验进行了检验 , 特别是为做实验专门用一颗磁石制成的小球。他把这颗球称作“小地球” , 让细小磁针在球面不同位置自由转动。当靠近小球赤道的时候 , 磁针大致平行于表面。越往接近磁极的地方一些 , 针的倾斜愈发明显。在极点的近处 , 它几乎竖直地指向球体。
与真实地球上磁倾角的那般变化相似的是这种分布。就此吉尔伯特提出, 指南针并非被远处的北极星, 或者远方的磁山吸住, 也不是被某个天外冒出来的磁源吸引, 而是那地球自身是有着磁性的。地球就犹如一个巨大到不行的球形磁体, 指南针仅仅只是顺着地球局部的磁场进行排列罢了。把全球航海观测同桌面上小球实验关联起来的这个解释, 是物理学里“用缩小模型去研究行星”的早期堪称典范的事例。
吉尔伯特所构建的地球磁体模型获取了极大成功, 然而却没办法对所有事实予以解释。要是地球算得上是一块始终保持不变的永久磁铁, 那磁偏角以及场强缘何会随着年代发生改变呢? 在十七世纪的时候, 伦敦等地所拥有的长期记录清晰表明磁偏角处于漂移状态。爱德蒙·哈雷察觉到, 务必要在全球范畴内对数据展开比较。他是在1698年至1700年前后带领着船只去进行大西洋磁测的, 还描绘出连接同等磁偏角地点的曲线。像这类等磁线图居然将不可见的磁场变化给画成了可供用于导航以及开展研究的地理结构。
磁偏角, 乃是指南针水平投影同真北之间所形成的夹角, 磁倾角, 是磁场相对于水平面的倾斜状况, 场强, 用于描述磁场的大小。这三者共同对一个地点的地磁状态起到决定作用。仅仅表述“指南针指北”, 会隐匿诸多信息: 于有些地区, 它朝着真北以东的方向偏移, 在另外一些地区朝着以西方向偏移；当靠近磁极的时候, 水平分量极为微弱, 普通指南针甚至会变得不稳定。地理北极、地磁偶极轴跟实际磁极是不重合的。
十九世纪, 精密测量将地磁学引领进定量时代, 高斯和韦伯对磁学仪器以及测量方法予以发展, 高斯于1830年代给出地磁场强的绝对测量方案, 并且运用球谐分析把地表磁场分解成不同的空间成分, 数学分析显示, 地球主磁场的大部分源于地球内部, 而非太阳或大气, 各地磁观测台构成网络, 同时记录场的长期变化以及短时扰动, 地磁研究从航海辅助渐渐变成一门全球物理科学。
1820年的时候, 奥斯特发现电流有着能让磁针偏转的作用, 之后安培把磁现象和电流相互联系起来了, 这由此带来了一个新的能够解释其中缘由的方向, 即或许那块一直存在着让地磁场可能并非是一块物质被永久磁化, 而是由巨大电流所直接产生的, 安培曾经有过这样的设想, 而地球内部是存在着环形电流的。然而, 仅仅只是画出包含有一圈电流的情况, 仍然没办法去说明它究竟是怎样开始启动的, 又是为什么能够依旧维持着, 以及到底是因为什么才会发生变化的。要想成功从基本原理上去解决这些所提出的问题, 那就必须得先充分知根知底地知道地球内部所具体具有着的结构究竟是怎样的以及所呈现出的物态是怎样的。
二十世纪里, 地震学所揭示出的是, 地球的中心是由固态内核以及液态外核構成的, 其主要蕴含的成分是铁还有镍。关键矛盾在此处出现了: 高温状态下的铁会失掉普通铁磁性特质。铁的居里温度大概为770摄氏度, 然地核温度比起这个数值远要高多了。所以说呀, 地球没办法借助一块永久磁化的铁核来把磁场维持住。“地球像磁铁”这般说法只能用来描述地表场之形状, 却没法对场的物理来源予以说明。
现代答案是地磁发电机, 地球液态外核是能导电的熔融金属, 内部热量散失以及轻元素析出, 会驱动流体对流, 地球自转产生的科里奥利效应, 使流动倾向于组织成具有旋转结构的柱状或螺旋运动, 导电流体穿过已有磁场时会感应电流, 电流又产生新的磁场, 若流动结构与能量供应合适, 新磁场能补偿电阻造成的衰减, 形成自我维持的发电机过程。
“对自身进行维持”, 是这套理论里面最为精妙同时也是极度困难的构成部分。要是从最开始的时候, 压根就不存在磁场, 那么在现实当中的微妙种子场, 能够凭借流动得以放大；一旦场构造起来, 它进而会借助洛伦兹力又回过头对流体运动产生影响。速度场、电流以及磁场相互之间形成耦合, 系统具备强烈的非线性。地磁场并非是一台安装好线圈与转子的规整机器是在那种不停地翻滚的液态金属, 而是一块辗转于旋转球壳当中的, 经过磁流体动力学持续对自身予以修建的。
1919年, 约瑟夫·拉莫尔在讨论太阳磁场之际提出天体发电机思想, 到了二十世纪中期, 瓦尔特·埃尔萨瑟以及爱德华·布拉德等人将发电机理论拓展至地球外核, 然而早期计算极为艰难, 原因在于需一同处理旋转、对流、电磁感应以及极小黏性, 伴随数值计算取得进步, 研究者最终得以模拟出具备偶极主场、长期变化乃至自发倒转的地磁场, 不过模型虽无法复制每一个历史细节, 却能够证明这种机制在物理方面有运行的可能。
地磁场有个挺震撼的性质, 就是它会发生倒转, 如今指南针的北端大体上指向地理方面的北方, 但是呢在地质历史的好多时期, 磁场的极性跟现在是相反, 火山岩冷却的那个时候, 里面含铁的矿物会在低于特定温度后续, 锁定当时地磁场的方向诶, 感觉就像一枚凝固好了的磁罗盘唷, 沉积物当中的磁性颗粒同样也能够留下场方向, 岩石正正因如此才保存了早就已经消失了的地磁记录。
在二十世纪初的时候, 法国有名的物理学家贝尔纳·布伦赫斯, 他在对古老熔岩展开研究期间, 察觉到其剩磁方向跟现代地磁场是相反的情况。基于此, 他大胆地提出这样的观点, 即地球磁场在过去有可能是曾出现过倒转现象的。到了1920年代, 日本的地球物理学家松山基范, 他针对不同年代的火山岩进行比较, 继而进一步地把反向磁化现象与地质时间两者联系在一起。一开始的时候, 有不少人对此表示怀疑, 怀疑岩石是不是仅仅只是被化学变化作用重新进行磁化而已, 然而, 来自世界各地的资料, 在越来越呈现出一致的状态下, 最终还是对全球性倒转这一结论给予了支持。
不是那种指南针在几天内突然转过一百八十度的普通简单翻面倒一转, 地质记录表明物理大师初中物理发电机物理大师初中物理发电机，转换的时候偶极的成分反而会减弱, 显示的数值模型表明场结构可能变得错综复杂, 那时候会突然有数个临时磁极冒出来, 经过大概数千年的时光才又建立起相反的极性, 这种倒转的间隔也不是规规矩矩的, 有时候间隔的跨度颇小, 有时候数千万年都不出现一次倒转, 它可不是一台按照固定周期运行的时钟, 而是非线性地核动力系统所产生的自然最终结果。
研究船在二十世纪五六十年代测量洋中脊附近海底磁场时, 发现了平行于洋中脊、正负交替的条带、而且两侧近乎镜像对称。1963年前后, 弗雷德里克·瓦因、德拉蒙德·马修斯以及劳伦斯·莫利分别认识到, 新生玄武岩在洋中脊冷却时会记录当时的极性, 海底向两侧扩张, 历次磁极倒转便进而形成对称磁条纹, 地磁倒转这样还帮助确认了大陆漂移以及海底扩张。
这些条纹俨然如一盘自洋中脊朝着外部广为铺开的磁带, 将条带次序跟陆上熔岩构建的倒转年表予以比较, 便可对数海底年龄以及扩张速度数值。原本一直被视作地磁学领域内部颇为怪异现象的极性倒转实情, 突然间摇身一变成为板块构造最为具有彰显力的证据中的一个例子。磁针不仅仅是助力大船顺利穿过宽广海洋提供便利之举, 凝固于海底岩石里面的“古指南针”竟然还能够如实揭示海洋自身究竟是怎样诞生以及如何移动前行确切情状。
地球磁场并非封闭在地面附近, 太阳持续吹出由带电粒子构成的太阳风, 地磁场与太阳风彼此相互作用, 进而形成磁层, 面向太阳的一侧遭受压缩, 背向太阳的一侧被拉长成为长长的磁尾, 1958年, 探险者1号卫星的观测助力发现范艾伦辐射带, 此辐射带困住了大量高能带电粒子, 极光与磁层粒子沿磁力线进入高纬大气、碰撞并激发原子和分子存在关联。
太阳爆发之时, 会对磁层以及电离层产生扰动, 进而造成磁暴现象。1859年发生的卡林顿事件, 留下了颇为著名的记录: 在低纬地区出现了强烈极光, 电报系统当中出现了异常电流。现代社会中存在着卫星、长距离输电网、导航以及通信系统, 所以更加依赖空间天气预报。地磁场为大气以及近地空间提供了重要的屏障, 但它并非是一层坚不可摧的罩子；高能粒子依旧能够通过复杂的路径进入磁层, 并且对技术系统产生影响。
指南针自身同样会受周边环境干扰, 钢铁建筑及车辆、扬声器、电流还有手机内部磁体, 皆有可能使局部磁场发生改变, 智能手机所含的“电子罗盘”, 一般运用微型磁传感器去测量三轴磁场, 接着连同加速度计以及陀螺仪来估计方向, 它依旧需要展开校准, 原因在于仪器要将地球场从设备自身磁性以及附近干扰里分离出来, 绕着“8”字晃动手机, 从本质上来说是在协助软件估计并扣除偏置。
常见的命名陷阱还有一个是, 指南针标有N的一端是“寻北极”, 它被地理北方附近的地磁极性吸引, 按异极相吸的普通磁学命名, 地理北方附近实际上相当于吸引磁体北端的那一极, 不同学科和历史文献对“北磁极”的叫法可能侧重位置或极性, 容易造成表面矛盾, 最稳妥的说法是, 指南针沿当地地磁场的水平分量排列, 而不是被某个地图上的点隔空拉直。
目前, 地球主磁场还是得以偶极成分为主要部分, 其磁轴跟自转轴相比, 存在着十分明显的倾斜现象, 与此同时, 众多非偶极结构会叠加在一起。那磁极的位置可不是固定的, 它会不断地漂移, 而且场强也处于变化当中。南大西洋异常区那里的地表磁场强度比较弱, 如此的话, 经过这个区域上空的卫星便会更容易受到高能粒子的影响。然而, 这些变化并不能自动表明倒转马上就要发生了, 并且也没办法依靠短期趋势来进行准确的预报。地磁系统的时间尺度范围很广, 从秒级扰动一直延伸到百万年倒转, 所以必须要区分不同的来源。
为什么指南针所指的方向是北? 答案简短的话是这样的: 磁针因为受到了地球磁场所形成的力矩影响, 从而发生转动趋向, 最终转变至与所在地磁场保持一致。若要给出更为完整的答案, 那便涉及到了航海的历史进程, 还有实验物理学领域, 以及地震学范畴, 流体力学方面, 以及板块构造相关内容。地球的表面看上去好像是平静安宁的, 然而在三千公里深度之处的液态金属却不停地处于流动的状态 ；这些液态金属的运动进而产生了电流, 电流又起到维持磁场的作用, 而磁场又会反过来作用于液态金属的流动情况以及太空中飘荡的粒子。手掌当中那根进行着轻微颤动的针, 实际上是与地核、海底的岩石以及太阳风相互关联着的。
“地球是一块充当大磁铁之角色的物体这样一种情况”依旧是一个具备相当良好程度之性质的模型, 前提是要牢牢记住它所描绘展示的乃是磁场的外形模样, 而并非是地球内部究竟蕴含蕴藏潜藏着什么东西。吉尔伯特所拥有的那个体积相对较小的磁球致使人们首次得以将指南针视作具有行星性质特征的一种探针工具, 现代地磁学却推动这枚探针朝着深入到根本无法通过直接方式得以抵达的地核区域的方向发展。指南针停止下来的那个瞬间时刻来临之际, 并非是由于北方存在着一座具有磁性的山体, 而是因为整个行星正在凭借导电流体的运动过程形态, 去持续维持一个跨越地表进而延伸至太空范围的处于动态变化之中的磁场环境。