地磁场
为什么磁体能指南北呢？原来地球是一个巨大的天然磁体，它的磁场与条形磁体的磁场一样。如下图所示。
地磁场对人类的生产、生活都有重要意义。
行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射
地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。
地磁场的发现
我国宋代科学家沈括（1034——1094）在公元1086年写的《梦溪笔谈》中，最早记载了地磁偏角“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在1600年著的《磁体》一书中，把当时许多有关磁体性质的事实都记了下来，同时创造性地作了划时代的实验：把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了一个理论：认为地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上。 地磁场的起源
地球存在磁场的原因还不为人所知，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”。1945年，物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。
还有一种假说认为：铁磁质在770℃（居里温度）的高温中磁性会完全消失。在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，决不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。 地磁场对生物活动的影响
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。科学家们发现，海龟能通过地球磁场和太阳及其他星体的位置来辨别方向。但对于迁徙中的海龟来说，仅有“方向感”是不够的，它们可能还有一张“地图”，用于明确自己的地理位置，最终到达某个特定的目的地。美国北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的肯洛曼研究小组发现，绿海龟对不同地理位置间的地磁场强度、方向的差别十分“敏感”，它们能通过地磁场为自己绘制一张地图。
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
地磁场的强弱叫地磁感（应）强度，地磁场的磁子午线与地理子午线间的夹角叫磁偏角，地球上某处地磁场方向与地面水平方向间的夹角叫磁倾角，这三个物理量称为“地磁三要素”。但是从地球的一个地方到邻近的另一个地方，地磁要素的变化一般都十分微小。
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。
一般来说，地磁要素的变化是很小的，但是跟太阳活动有密切联系的磁暴现象，却发生得十分突然。这是因为太阳黑子活动剧烈的时候，放出的能量相当于几十万颗氢弹爆炸的威力，同时喷射出大量带电粒子。这些带电粒子射到地球上形成的强大磁场迭加到地磁场上，使正常情况下的地磁要素发生急剧变化，引起“磁暴”。发生磁暴时，地球上会发生许多奇异的现象。在漆黑的北极上空会出现美丽的极光。指南针会摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子也会迷失方向，四处乱飞。地磁场能阻挡宇宙射线和来自太阳的高能带电粒子，是生物体免遭危害的天然保护伞。
所以这个“超巨”的地磁场，对地球形成了一个“保护盾”，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物才得以生存滋长。如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线，会将最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，根本无法在地球上滋生。
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，从而可以较正确地作出“震前预报”。
地磁场曾经多次翻转
科学家们通过对海底熔岩的研究发现，地球的磁场曾经发生过多次翻转。众所周知，炽热的岩浆中含有数以万计的矿物质，就好像一个个“小指南针”。当岩浆冷却下来后，这些“指南针”也被固定住不再发生变化。这样，其“南北极”的指向就记录了当时地球磁场的方向。研究表明，地球磁场平均每50万年翻转一次，而最近一次的翻转发生在78万年前。由于一百多年来磁场不断减弱，人们不禁担心，地球磁场的又一次“大变脸”是否即将来临？
科学家指出，存在于地核周围的铁流体（熔融体）好像一部“发动机”，不停地将巨大的机械能转化成为电磁能，从而形成了地磁场。而铁流体有时会形成巨大的漩涡，迫使自己的流向发生变化，这就引起了地球磁场的改变。地磁场的两极倒转是一个极其漫长的过程，大约需要5000到7000年才能完成。本来，这不是什么可怕的事，但是，在此过程中，保护人类免受强烈紫外线辐射的地球磁场将会完全消失，这就将造成极其严重的后果。
地球磁极的变换和消失有什么影响
对于人类和所有生物来说，地磁变换是灾难性的。地磁消失后，太阳的各种射线都会直达地表，地球上生活的生物将失去“保护伞”，受到强烈辐射的伤害。还有科学家认为，地磁场改变导致染色体畸变，会使动植物发生变异生长。因此，地球磁极的变换是人类面临的最大的威胁。地磁真的会消失吗？
地磁场的三要素
孟昭辉
地球是个大磁体，在地球周围空间存在着磁场，即地磁场。实验证明，地磁极和地理的南北极并不完全相合，而且地磁场磁感线的两个汇集点并不在地面上，而是在地面下。它们间的距离比地球直径短，而且两个磁极的连线不经过地
心。 由于地球的磁极与地理两极并不相合，所以磁针所指的南北方向仅仅是近似的。磁针静止时所指的方向跟实际南北方向之间的夹角叫磁偏角，用表示，如图
6－1所示。各地的值不同。
地磁场的磁感线一般不与地面平行，而与水平面交成一定的角度，这个角叫磁倾角，用θ表示，它可以用磁倾测量仪测出来。各地磁倾角不同，在地磁极处，θ＝90°。磁偏角和磁倾角只能确定地磁场的方向，而不能表明地磁场强弱。磁场的强弱是用磁感应强度表示的，它的方向就是磁感线的切给方向。某一点处磁
感应强度的水平分量很容易测量，通常就用水平强度来表示某处地磁场的强弱。知道了某地的磁偏角、磁倾角和水平强度，该点的地磁场就完全了解了。所以这
三个量叫做地磁场的三要素。 地磁场的研究在生产和科学上都有重大意义。例如地磁异常现象可以帮助找矿，因为地磁异常往往是因为地下埋藏着大量的磁铁矿引起的。又如地震也往往伴随着地磁异常现象。因此测量地磁的变化是预测地震的一个重要手段。
地磁三要素及地磁场的效应
地磁场的强弱叫地磁感（应）强度，地磁场的磁子午线与地理子午线间的夹角叫磁偏角，地球上某处地磁场方向与地面水平方向间的夹角叫磁倾角，这三个物理量称为“地磁三要素”。但是从地球的一个地方到邻近的另一个地方，地磁要素的变化一般都十分微小。
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。
一般来说，地磁要素的变化是很小的，但是跟太阳活动有密切联系的磁暴现象，却发生得十分突然。这是因为太阳黑子活动剧烈的时候，放出的能量相当于几十万颗氢弹爆炸的威力，同时喷射出大量带电粒子（电子或离子）。这些带电粒子射到地球上形成的强大磁场迭加到地磁场上，使正常情况下的地磁要素发生急剧变化，引起“磁暴”。发生磁暴时，地球上会发生许多奇异的现象。在漆黑的北极上空会出现美丽的极光。指南针会摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子也会迷失方向，四处乱飞。地磁场能阻挡宇宙射线和来自太阳的高能带电粒子，使生物体免遭危害的天然保护伞。
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，从而可以较正确地作出“震前预报”。
地磁场的形成和反转
广东海洋大学
地球磁场拦截了太阳辐射来的带电粒子，还有来自宇宙的射线，使它们未能冲到地面，而是留在高空，环绕地球流动。所以，地磁场的存在，对生物的生存与繁衍具有重要的作用[Merrill, et. al., 1996; Parker, 1979]。
地磁场的成因，至今还没有定论，是地球物理学重大理论难题之一。人们对地磁场的成因作过各种各样的探讨，创立了众多的假设。其中较重要的有三种：铁磁体假说、热电假说和发电机假说[Merrill, et. al., 1996; Moffatt, 1978; Stevenson, 2003]。
根据地球的平均比重大，地壳、地幔的比重小，及陨石资料（铁是陨石中含量最大的重金属），一般认为地核由铁、镍等重金属物质构成。而铁又是产生磁性的重要物质。所以，铁磁体假说出现。它认为地核本身就是一个大磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特性的磁场。但因为地核的温度远超过居里点，所有的铁磁性物质，在这一温度下都将丧失其磁性，所以，这一假说是不可能成立的。
地磁场具有快速变化（几十年至2000年）的特点，这说明地磁场的形成肯定与地壳和地幔无关，因为地壳、地幔主要呈固态的特性，决定了其中各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十年或几百年的明显变化。而外核为液态，具有快速反应外部激励和变化的能力。而铁、镍等物质，又是电的良导体。从而提出由于带电物质热对流造成地磁场的热电假说。但是，要产生如今强度的地磁场，需要109A的电流强度，外核液态铁能否产生如此大的电流，引起怀疑。同时，这种热对流也难以形成偶极性特征的磁场。所以，这种假说也慢慢被放弃。
目前为止获得最多支持的假说，是发电机假说[Stevenson, 2003]。由于液态外核主要为具有高导电性能的铁镍构成，这些物质在地核外磁场中的相对运动，及与磁场相互作用，就有可能产生电流；这种电流又会产生磁场。在一定条件下，当新产生的磁场和原磁场叠加，就产生自激作用，像一台发电机一样，产生地磁场。这种假说刚产生时提出的“单圆盘发电机假说”，尚不能解释地磁场反转问题。后来又出现“非稳定发电机假说”、“双圆盘发电机假说”等多种发电机假说，用以解释磁场的相关问题[Kutzner and Christensen, 2000; Buffett and Bloxham, 2002; Loper, 1978; Jones, 2000; Buffett and Bloxham, 2002; Christensen and Aubert, et al., 2001; Glatzmaier, 2002; Roberts and Glatzmaier, 2000]。
这种理论自20世纪40-50年代发展起来，到目前为止，可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种特点，越来越受到多数人的支持。但这个假说最大的问题是磁流体“发电机”的能量来源问题。不少人试图用外核中液态物质的热对流、物质分异、放射性蜕变、核幔自转轴向运动差异等来解释[Kutzner and Christensen, 2000; Loper, 1978; Jones, 2000; Buffett and Bloxham, 2002; Glatzmaier, 2002; Wahr, 1988; Le Mou?l, 1992; Yoshida and Hamano, 1995]，但总不能得到满意的结果。所以，地磁场的形成和反转问题，一直是悬而未决的地球物理学重大难题[Stix and Roberts, 1984; Jault and Le Mou?l, 1989; Jault and Le Mou?l, 1990; Love and Bloxham, 1994; Holme, 199]。
1 冰川形成和消融对地球自转的作用
下面，我们以双极冰川为例，具体说明冰川的形成和消融对地球自转的影响。