地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(15)
以上我们已经对电和磁的所有情况有了介绍,它让我们知道磁场的存在是人们在认识电场的过程中的过渡过程和解释问题的工具,磁场的本质是电场。地球磁场是磁层磁力线驱动的,迎着太阳风的磁力线将能量带进地壳,地壳导体将其变为电流,带电的地壳导体再将电流产生地球偶极磁场和非偶极子磁场。非偶极子磁场成因于地壳导体的不均匀性。地球磁场的数学描述遵循麦克斯韦方程。
用麦克斯韦方程组描述地球磁场,得到它的解非常困难。因为地球磁场介质可能是一个复杂的函数,或者是无规则的变化值。在工程上处理这样一类问题一般都采用直接实验来理解它的实际符合情况,用理论去求解地球磁场的麦克斯韦方程组将是不太合情理的事。再说麦克斯韦方程的解有时也是个复杂的事,从均质介质的移动麦克斯韦方程组引申出来的就是狭义相对论,对狭义相对论理解演变出了许多现代物理学的故事,这其中可以争论的东西真是太多太多。
球谐分析应用在地磁学,地磁场的高斯分析(球谐分析)的结果表明,地磁场没有单极子,相对于地磁场来说,现在地磁场的高斯分析还存在着唯一性问题。
偶极场是电磁法场源的一种形式,观测时,场源可以移动。理想的偶极场是在多匝空心环形线圈或磁芯棒状线圈假想中,通有谐变或脉冲电流时:在其周围空间产生的一次场。当观测点离线圈中心的距离超过线圈直径5倍以上时,线圈的磁场相当于一个偶极子的场(在线圈中心的磁偶极子,轴向与线圈面的法线方向—致)故称为偶极场。偶极场的强度与供电流的大小、线圈匝数和面积成正比。它的特点是,场的分布不均匀,具有球面波的特征,有明显的方向性;在空气中场强与距离的三次方成反比衰减,向地下传播时衰减更快,所以穿透深度小,通过调节线圈的方向可以定向发射,对不同产状的地下导体可以加强其感应耦合作用。
依据地球地壳地阻分布,非偶极子磁场的全球分布,计算和分析各个磁异常中心位置和强度的变化,东亚正磁异常、大洋洲负磁异常、南大西洋正磁异常、非洲负磁异常和北美洲正磁异常是分布范围广、异常强度大的5个磁异常。南大西洋正磁异常是强度最大的磁异常。在20世纪90年代以前,东亚正磁异常的强度位居第2位,90年代以后,非洲负磁异常的强度(绝对值)超过东亚正磁异常,成为第2大磁异常。磁异常强度增长最快的是非洲负磁异常、南大西洋正磁异常和大洋洲负磁异常。南大西洋正磁异常和非洲负磁异常是磁异常中心位置变化最快的两个磁异常。如此异常都与地球气候变化有关。
一般来说,一个地球的物理场总是由许许多多不同的成分构成的。就地球磁场而言,从空间分布上来看,有的成分(如偶极子场)属于行星尺度的结构,其展开范围以地球半径计算,有的成分(如大陆磁异常)属于区域性结构,其尺度为千千米量级,有的仅反映局地特点,分布在几百公里到几十公里的范围以内,还有尺度更是微小的成分;从时间变化上来看,有的成分(如局部磁异常)非常稳定,其变化的时间尺度可能是几百万年甚至更长,有的则是几千年或几万年,还有以年或日为周期的变化成分,更有许多成分变化极为快速;从成因分析,有的成分与地球运行过程相关,有的成分决定于岩石圈电阻结构,有的则必须是由地球外部的太阳电磁过程产生。
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(一)物质的电结构是物质的基本性质形式。
(二)电磁场是物质世界的重要组成部分。
(三)匀变的磁场产生的是恒定的电场,因为,只有变化的电场产生磁场,所以恒定的电场不产生磁场。同样,匀变的电场产生的是恒定的磁场,恒定的磁场不产生电场。
(四)地球的地壳有一层很好的导电层。磁力线是从北极穿入地球沿着地壳运行的,然后再从地球南极穿出返回磁层。磁力线作用在地壳导体上,是其中自由电子的定向移动积累正、负电荷而产生电势差——地磁场感应电动势。
(五)磁生电的本质是磁生磁(一种磁场生成另一种磁场)。地球磁场就是这个过程,只是转换过程的导体不是良好均质的,所以产生了偶极子磁场和非偶极子磁场。
(六)用麦克斯韦方程组描述地球磁场,得到它的解非常困难。因为地球磁场介质可能是一个复杂的函数
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html