地球电磁现象物理学
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问题: 1.假设与实际不符:海洋地壳比大陆地壳热，而不 是冷。
2. 没有给出内球电流产生的原因，而这一点正是 地磁场起源理论应该回答的最核心的问题。
2021/2/6
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（6）磁力线扭结理论（阿尔文 1950）
阿尔文理论:假设地核高电导,并存在 差动旋转，原偶极磁场被流体运动 拖曳而缠绕。在强缠绕情况下，磁 力线束不稳定，最后，形成磁力线 环(扭结）。许多这样的磁环可能同 时存在，磁环被对流拉伸开来，最 后增强了原来的磁场。
第三章 地球主磁场起源
第一节 地球主磁场起源研究的历史回顾 第二节 地球发电机过程的深部环境 第三节 地核介质的力学和电磁特性 第四节 圆盘发电机
第五节 运动学发电机
第六节 湍流发电机和平均场电动力学
第七节 磁流体发电机
第八节 地球发电机的能源问题
2021/2/6
1
§3.1 地球主磁场起源研究的历史回顾
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(1) 为什么地球会有磁场?
(2) 为什么地磁场会长期存在(至少为地球年龄的70%)？
(3) 为什么偶极场占优势？平均偶极轴与地轴相合？(指 南针近似指北)
(4) 什么因素决定地磁场强度及其变化？
(5) 引起地磁场长期变化的过程是什么？
(6) 地磁场西漂的意义何在？
(7) 为什么地磁极性会倒转？而又没有占优势的极性？
该理论认为，电场是地球内部电荷因重力作用 而分离的结果:电子轻而靠近地表，正电荷重而 靠近地心。英格里斯估计，由于这种分离，在 一个原子体积内可形成的电荷约为10-10电子电 荷。
问题:本假说以磁场和自由电子存在为前提，但
是电场的估计太大（同上）。
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（9）残余电流自由衰减理论(兰姆,1883)
地球磁矩 ~8*1022Am2
(2)岩石只能在居里点温度(~600o)以 下，才可获得永久磁化，由地温梯度估
计，在20-30km 深度处，温度已到居里 点温 度 。如 果地磁场仅仅由地表到 2030km这一薄层地壳所产生，则要求地壳
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岩石的磁化强度高达6000A/m。不可能!
磁化强度(单 位体积内分 子磁矩的矢 量和)
一的实际地磁矩。太小!
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（3）巨体旋转理论（布莱克特 1947）
布莱克特理论: 地球、太阳和室女座78号星的 磁矩与转矩之比很接近。于是他提出,由于某 个目前还不能解释的物理定律，巨大天体具 有与机械转矩成正比的磁矩。为了得到实验 证明，他专门研制了无定向磁力仪，测量随 地球转动的纯金球的微弱磁场。
问题:实际测量结果否定了他的假定，但无定
向磁力仪却成了古地磁测量的重要仪器，可
以测量10-3-10-4nT的微弱磁场。
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（4）磁暴感应理论（查特里 1956）
查特里理论: 磁暴起源于赤道环电流, 它在地核中产生感应电流，电流产 生偶极磁场。反复发生的磁暴，可 以维持这一电流和磁场。
偶极场变化的机制）
电流理论 （偶极场产生机制，
偶极场变化的机制）
波动理论 （地磁场西漂）
发20电21/2机/6 理论（一般的理论）
5
（1）永久磁化理论（吉尔伯特 1600）
地球是个大磁铁
问题: (1) 如果地球均匀磁化,要产生观测 到的地磁场，平均磁化强度~80A/m (地 球体积约为1021 m3) 。这是天然岩石磁化 强度上限，地球不可能完全由这样的物 质组成。
地磁场起源问题是物理学重大难题之一 ——爱因斯坦
一. 对地磁场起源理论的基本要求 二. 主要的地磁起源理论
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一、对地磁场起源理论的基本要求
一个成功的地磁场起源理论应该是:
1、物理上合理（符合电磁学、力学、热力学 等物理学基本规律）
2、与其他学科相容（特别是地学学科） 3、能够回答关于地磁场的基本问题
(8) 极性倒转时地磁场发生什么变化？为什么？
(9) 为什么地磁场极性倒转频率变化如此之大？
(10)为什么其他行星和卫星也有磁场？这些磁场是否可 以用统一机制来解释？
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二、主要的地磁起源理论
大体分五类: 依据不同的物理理论, 有不同的侧重点。
磁化理论 （偶极场产生机制）
感应理论 （偶极场产生机制，
问题:磁力线扭结只是地核中过程之 一，但是形成磁环的过程能否足够 频繁地重复进行，尚不清楚。此外， 缺少环型场变极型场的机制。
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（7）旋转电荷理论（舒瑟兰德1900）
舒瑟兰德理论:如果地表分布着静电荷,随地球旋转会形 成电流，并产生偶极磁场。
问 题 : (1) 要 产 生 实 测 地 磁 场 ， 要 求 地 表 面 电 荷 密 度 为 0.14C/m2。但测量表明，全球电荷总量仅 5.4105C 如 果这些电荷全部分布在地球表面，平均面电荷密度也 只有 109C/m，远不能产生所要求的磁场。
问题:只有在偶极场存在的条件下，才 会形成磁暴环电流。即先有地磁场， 后有环电流。
即使不考虑这个困难，要形成
今天的地磁偶极场，大约需要100亿
年2，021而/2/6 地球却只有46亿年的历史。
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(5）静磁感应理论（怀尔德)
怀尔德同心球模型:内球的电流模拟偶极磁场,球内表面 相应于海洋的区域置放铁板（他认为，海洋地壳比大 陆地壳冷，故居里点较深，磁性较强）。用这个模型 产生的总磁场（包括一次场和铁板中的二次感应场） 显示了主磁场的某些特征。
(2) 所要求的面电荷会在地面产生的强大电场，>> 地表电场实测值，也>>地表大气放电电压。
(3) 即使存在这样的面电荷，随地球旋转的观测者
既测不到电流，也测不到磁场。
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（8） 漂移电流理论(英格里斯,1955)
英格里斯理论: 地球内部高温产生自由带电粒 子,在磁场和电场作用下漂移，产生漂移电流， 进而产生磁场。
兰姆理论: “永磁体”假说的失败使人们转向 “电磁铁”假说。假设一开始地球内存在闭合 电流而形成磁场,此后，电流自由衰减，地磁场 缓慢减小。
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(2) 磁回旋理论（巴耐特 1933）
旋转的铁磁物体会在转轴方向磁 化,其磁矩为
M 4cm n/e
而实验测定值为
M 1 .5 1 0 6 n ( C .G .S ) 1 .5 1 0 3 n ( A /m )
式中n为每秒转数。
问题:地球转速n~10-5，代入上式，
得到的地球磁矩仅为100亿分之
2. 没有给出内球电流产生的原因，而这一点正是 地磁场起源理论应该回答的最核心的问题。
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（6）磁力线扭结理论（阿尔文 1950）
阿尔文理论:假设地核高电导,并存在 差动旋转，原偶极磁场被流体运动 拖曳而缠绕。在强缠绕情况下，磁 力线束不稳定，最后，形成磁力线 环(扭结）。许多这样的磁环可能同 时存在，磁环被对流拉伸开来，最 后增强了原来的磁场。
第三章 地球主磁场起源
第一节 地球主磁场起源研究的历史回顾 第二节 地球发电机过程的深部环境 第三节 地核介质的力学和电磁特性 第四节 圆盘发电机
第五节 运动学发电机
第六节 湍流发电机和平均场电动力学
第七节 磁流体发电机
第八节 地球发电机的能源问题
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§3.1 地球主磁场起源研究的历史回顾
2021/2/6
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(1) 为什么地球会有磁场?
(2) 为什么地磁场会长期存在(至少为地球年龄的70%)？
(3) 为什么偶极场占优势？平均偶极轴与地轴相合？(指 南针近似指北)
(4) 什么因素决定地磁场强度及其变化？
(5) 引起地磁场长期变化的过程是什么？
(6) 地磁场西漂的意义何在？
(7) 为什么地磁极性会倒转？而又没有占优势的极性？
该理论认为，电场是地球内部电荷因重力作用 而分离的结果:电子轻而靠近地表，正电荷重而 靠近地心。英格里斯估计，由于这种分离，在 一个原子体积内可形成的电荷约为10-10电子电 荷。
问题:本假说以磁场和自由电子存在为前提，但
是电场的估计太大（同上）。
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（9）残余电流自由衰减理论(兰姆,1883)
地球磁矩 ~8*1022Am2
(2)岩石只能在居里点温度(~600o)以 下，才可获得永久磁化，由地温梯度估
计，在20-30km 深度处，温度已到居里 点温 度 。如 果地磁场仅仅由地表到 2030km这一薄层地壳所产生，则要求地壳
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岩石的磁化强度高达6000A/m。不可能!
磁化强度(单 位体积内分 子磁矩的矢 量和)
一的实际地磁矩。太小!
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（3）巨体旋转理论（布莱克特 1947）
布莱克特理论: 地球、太阳和室女座78号星的 磁矩与转矩之比很接近。于是他提出,由于某 个目前还不能解释的物理定律，巨大天体具 有与机械转矩成正比的磁矩。为了得到实验 证明，他专门研制了无定向磁力仪，测量随 地球转动的纯金球的微弱磁场。
问题:实际测量结果否定了他的假定，但无定
向磁力仪却成了古地磁测量的重要仪器，可
以测量10-3-10-4nT的微弱磁场。
2021/2/6
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（4）磁暴感应理论（查特里 1956）
查特里理论: 磁暴起源于赤道环电流, 它在地核中产生感应电流，电流产 生偶极磁场。反复发生的磁暴，可 以维持这一电流和磁场。
偶极场变化的机制）
电流理论 （偶极场产生机制，
偶极场变化的机制）
波动理论 （地磁场西漂）
发20电21/2机/6 理论（一般的理论）
5
（1）永久磁化理论（吉尔伯特 1600）
地球是个大磁铁
问题: (1) 如果地球均匀磁化,要产生观测 到的地磁场，平均磁化强度~80A/m (地 球体积约为1021 m3) 。这是天然岩石磁化 强度上限，地球不可能完全由这样的物 质组成。
地磁场起源问题是物理学重大难题之一 ——爱因斯坦
一. 对地磁场起源理论的基本要求 二. 主要的地磁起源理论
2021/2/6
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一、对地磁场起源理论的基本要求
一个成功的地磁场起源理论应该是:
1、物理上合理（符合电磁学、力学、热力学 等物理学基本规律）
2、与其他学科相容（特别是地学学科） 3、能够回答关于地磁场的基本问题
(8) 极性倒转时地磁场发生什么变化？为什么？
(9) 为什么地磁场极性倒转频率变化如此之大？
(10)为什么其他行星和卫星也有磁场？这些磁场是否可 以用统一机制来解释？
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二、主要的地磁起源理论
大体分五类: 依据不同的物理理论, 有不同的侧重点。
磁化理论 （偶极场产生机制）
感应理论 （偶极场产生机制，
问题:磁力线扭结只是地核中过程之 一，但是形成磁环的过程能否足够 频繁地重复进行，尚不清楚。此外， 缺少环型场变极型场的机制。
2021/2/6
11Leabharlann Baidu
（7）旋转电荷理论（舒瑟兰德1900）
舒瑟兰德理论:如果地表分布着静电荷,随地球旋转会形 成电流，并产生偶极磁场。
问 题 : (1) 要 产 生 实 测 地 磁 场 ， 要 求 地 表 面 电 荷 密 度 为 0.14C/m2。但测量表明，全球电荷总量仅 5.4105C 如 果这些电荷全部分布在地球表面，平均面电荷密度也 只有 109C/m，远不能产生所要求的磁场。
问题:只有在偶极场存在的条件下，才 会形成磁暴环电流。即先有地磁场， 后有环电流。
即使不考虑这个困难，要形成
今天的地磁偶极场，大约需要100亿
年2，021而/2/6 地球却只有46亿年的历史。
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(5）静磁感应理论（怀尔德)
怀尔德同心球模型:内球的电流模拟偶极磁场,球内表面 相应于海洋的区域置放铁板（他认为，海洋地壳比大 陆地壳冷，故居里点较深，磁性较强）。用这个模型 产生的总磁场（包括一次场和铁板中的二次感应场） 显示了主磁场的某些特征。
(2) 所要求的面电荷会在地面产生的强大电场，>> 地表电场实测值，也>>地表大气放电电压。
(3) 即使存在这样的面电荷，随地球旋转的观测者
既测不到电流，也测不到磁场。
2021/2/6
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（8） 漂移电流理论(英格里斯,1955)
英格里斯理论: 地球内部高温产生自由带电粒 子,在磁场和电场作用下漂移，产生漂移电流， 进而产生磁场。
兰姆理论: “永磁体”假说的失败使人们转向 “电磁铁”假说。假设一开始地球内存在闭合 电流而形成磁场,此后，电流自由衰减，地磁场 缓慢减小。
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(2) 磁回旋理论（巴耐特 1933）
旋转的铁磁物体会在转轴方向磁 化,其磁矩为
M 4cm n/e
而实验测定值为
M 1 .5 1 0 6 n ( C .G .S ) 1 .5 1 0 3 n ( A /m )
式中n为每秒转数。
问题:地球转速n~10-5，代入上式，
得到的地球磁矩仅为100亿分之