地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(8)
高斯系数是由某段时间的磁测或卫星观测的磁场数据通过拟合得到的。在某段时间内国际(或权威的)地磁参考场可以是一系列的高斯系数以及它们的时间导数。
起始应用地磁势场,在于可以用来估算源区之外任何地方的磁场强。依据1980年的IGRF估算地幔内部的磁力线。由此可以看出,从核幔边界到地表,地磁场变得并非简单地套用,只是像偶极子场。
一、地心轴向偶极子(GAD)和其他类型的极子
作为一阶项,地球磁场很像一个处于地球中心、和地转轴一致的巨大条形磁铁产生的磁场。如果地球磁场的确是地心轴向偶极子场(GAD),那么从极区穿过的磁力线沿着自转轴是对称的,从而无论选择那个截面都是一样的;换句话说,磁力线总是指向北极的。但是,磁力线和地球表面的夹角(磁倾角I)总会在赤道的0度和极区的90度之间变化。此外,极区的磁力线要比赤道处的显得更密(极区磁通量更高),从而极区的场强是赤道处的两倍。
地心偶极子的矢量和也是一个偶极子,但是它和地球自转轴有11.2度的夹角。这个所谓的最佳拟合偶极子轴穿透地表。这个点及其对应点称为地磁极(geomagnetic poles)。它们和地理极不同,地理极是地球自转轴在地表处的交点。把大于约年的古代地磁极数据平均后就得到古地磁极(paleomagnetic pole)。
二、虚地磁极
我们经常问到底是否地磁极本身改变了,还是地壳的某些部分相对于地磁极发生了偏转。我们在某个区域观测到的只是当地的磁场矢量方向。所以,需要一种方法将观测到的方向转变为等效的地磁极。
为了去除地球磁场方向对观测点的依赖性,我们可以假想一个地心偶极子场。虚地磁极(VGP)就是这个假想的地心偶极子场的磁极。
三、虚偶极矩
全球磁场强度的变化和倾角很相似。经常将古地球磁场的强度值转换为等效的地心偶极子磁矩。这一等效磁矩可以在观测点产生相同的地球磁场强度,所以叫做虚偶极子磁矩(VDM)。首先,根据测得的倾角和偶极计算出磁(古)余纬,然后再计算VDM。
我们了解到一些关于现今地球磁场的知识。为了探究以前的地球磁场行为,我们将不得不利用一些偶然的记录,比如存在于岩石、沉积物或者考古遗迹等材料中的信息。但是,这些材料是如何被磁化的?他们记录的磁信息与地球磁场当时是怎样的关系?
四、原子水平的磁性
物质一般通过产生自己的磁场来感应外界磁场;部分物质在无外磁场的情况下也能产生自发磁化。所以,可以把物质的磁化强度分成两部分:只有在外磁场时才存在的磁化强度(感应磁化强度)和零场时也可以存在的磁化强度(剩余磁化强度)。
正如我们在之前了解到的,电流可以产生磁场。在原子水平上,电流是电子围绕原子核的运动:包括电子轨道和电子自旋。我们首先考虑电子轨道的作用。
五、剩磁
当没有外磁场存在的时候,有些物质也会产生磁场。这个磁化强度称为剩余磁化强度或自发磁化强度,这种现象即为铁磁性。剩磁是在某些晶体中邻近电子自旋很强的相互作用引起的。
根据不同的晶格结构,当电子自旋平行或反平行排列的时候,交换能就会达到最小。交换能是由于泡利不相容原理产生的。过渡元素中,由于形状和未配对的自旋电子,3d轨道最容易受交换相互作用的影响。或者说剩磁是某些包含3d轨道未填充的过渡元素晶体的特性。
我们从经典物理的角度讨论了铁磁性,但从量子力学的角度考虑的时候,这个处理过程严格来说是不正确的。这里的经典推导和量子力学的推导最主要的区别在于,量子力学中磁矩仅能沿着特定的方向。经典处理已经足够可以作为岩石磁性的基础。
六、铁磁性的类型
低于居里温度的时候,某些晶体会由于未配对的电子自旋在晶体内的大面积定向排列而产生一个永久磁性(剩磁)。电子自旋可以平行或反平行排列;其定向排列完全受晶格结构的控制。与这个现象相关的能量形式是交换相互作用。有三种类型的自旋排列:铁磁性(狭义),亚铁磁性和反铁磁性。
对于狭义的铁磁性,当所有的自旋平行排列的时候,交换能达到最小,纯铁就是个例子。当所有的自旋完全反平行排列的时候,将不会出现净的磁矩,如钛铁矿。有时,反铁磁性的电子自旋没有完全的反平行定向排列,但是有一个小角度的偏转。这个电子自旋的偏转将会产生一个很弱的净磁矩,赤铁矿是一个例子。同样,当自旋因为晶格缺陷而没有完全得到补偿的时候,反铁磁材料也会产生一个磁矩。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html