有趣的地磁場

韋娟

地磁場是人類生命的保護傘，神秘而有趣。公元250年，人類就開始了探究，中國人發(fā)明了指南針，沈括發(fā)現(xiàn)了磁偏角。盡管人類對地磁場研究了幾千年，直到今天人類還沒有真正弄清地磁場的起源。目前人們認為，地磁場產(chǎn)生的原因有永磁體理論，電荷旋轉理論，熱壓電效應理論，溫差電效應理論，自激發(fā)電機理論，范愛倫帶理論等。正是這些研究的深入，人們不斷地了解地球奧秘，探索未知的世界，地磁場和人類的生活聯(lián)系越來越多。

1 地磁場和導航

人們利用地磁場導航已經(jīng)有400年的歷史了，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)鴿子、海鷗、蝙蝠和烏龜?shù)却罅縿游锒加玫厍虼艌鰜韺Ш?。地球表面以及近地空間的地磁場在不同地區(qū)是不同的，這種不同性構成了不同地區(qū)的一種典型特征。利用這種特征來確定載體所在的地理位置，就是地磁導航所依據(jù)的基本原理。地磁導航具有無源性，與其他有源制導和導航方式相比，地磁制導與導航在軍事領域有著無可比擬的優(yōu)勢。使用地磁制導的導彈抗干擾性能強，突防能力得到大大提升。近年來，地磁導航在工業(yè)部門、航空航天航海等諸多領域發(fā)揮了重要作用，越來越成為學術界關注的對象。地磁導航在導航定位、地球物理武器、戰(zhàn)場電磁信息對抗等領域展現(xiàn)了巨大的軍事潛力。然而地磁場成因比較復雜，存在長期變化和短期變化。所以只要建立適時的地磁數(shù)據(jù)庫，突破地磁異常問題和載體磁場對地磁場測量值的干擾，運用高效、實時地磁導航匹配算法，在高精度、快響應速度、環(huán)境適應性強的磁測量傳感器的測量下，就能實現(xiàn)運用地磁場在全球導航。

2 地磁場和地震

地磁場預測地震是建立在長期觀測和綜合分析基礎上的。長期觀測可以知道當?shù)氐卮艌龌顒拥幕拘螒B(tài)和變化規(guī)律，以及歷史記錄的地震發(fā)生之前的前兆特征。當觀測到本地地磁場發(fā)生不同于以往的異?；顒樱一顒有螒B(tài)與歷史地震的前期征兆相似時，綜合其他前兆，考慮地震發(fā)生的可能性?？茖W家們觀察了一段時間的地磁場DST指數(shù)，發(fā)現(xiàn)地磁場DST指數(shù)與地震發(fā)生頻率有一定的關系。這里的DST指數(shù)是用來測量地磁場強度的。地震引起地磁場變化的原因有兩個：一是地震前巖石在地應力作用下出現(xiàn)“壓磁效應”，從而引起地磁場局部變化；二是地應力使巖石被壓縮或拉伸，引起電阻率變化，使電磁場有相應的局部變化，巖石溫度的改變也能使巖石電磁性質改變。基于上述理由，應該可以利用電磁手段對地震進行預測、預報。目前利用地磁預報地震的方法還在探索階段中。影響地磁變化的原因是多方面的，干擾因素也很多，比如，儀器附近放有鐵物質或者觀測時帶有鐵磁性的東西靠近儀器，都會使磁針改變方向，發(fā)生變化。因此，當觀測到地磁場異常時，首先要通過多種觀測資料加以對比分析，排除各種干擾因素，找出因地震的變化引起的異常反映。人類一定能在未來通過地磁場的變化準確地預報地震。

3 地磁場和探礦

由于地磁場的存在，組成地殼的巖石有著不同的磁性，可以產(chǎn)生各不相同的磁場，它使地球磁場在局部地區(qū)發(fā)生變化，形成磁異常。利用儀器測定這些磁異常，研究它與地質構造的關系，根據(jù)磁異常特征做出關于地質構造及礦產(chǎn)分布的預測。磁力勘探所用的儀器就是磁力儀，它的靈敏度很高，只要約有相當于普通小塊吸鐵石的千分之一到萬分之一的磁性，就能被測量出來。飛機攜帶航空磁力儀，可在不同高度的飛行中測量地面磁力值的變化，大大提高了工作效率。磁力勘探包括地面磁測、航空磁測、海洋磁測和井中磁測等。據(jù)測算，地磁場的變化有一定的規(guī)律性。比如在我國境內(nèi)，每向北走1 km，地磁感應強度的變化約為一億分之幾特，而小范圍內(nèi)地磁感應強度和磁傾角幾乎沒有什么變化。但是，有時地磁場的變化非常明顯，有的地方會出現(xiàn)磁針反?，F(xiàn)象，磁針不再指向南北方向。在某些山區(qū)，磁針甚至變成直立狀態(tài)。這種電磁場的劇變稱作地磁異常。顯然，出現(xiàn)地磁異常的區(qū)域，地下一定蘊藏著豐富的磁鐵礦。我們可以根據(jù)地磁異常現(xiàn)象來探測磁鐵礦區(qū)。隨著人們對地磁場研究的深入，地磁探礦的應用越來越廣。地質學家們已能廣泛應用地磁探礦來尋找鐵、鈷、鎳、金以及石油等地下資源了。

4 地磁場和考古

通過測定巖石和某些古物的天然剩余磁性，分析它們的磁化歷史，研究導致它們磁化的地磁場的特征是20世紀后半期新興的利用磁學的方法進行考古斷代的技術和方法，后來形成了考古磁學這一學科?？脊糯艑W主要用于研究古代遺址和古代文物的年代。還可以對古陶制造原料的來源、陶器燒結溫度，甚至對古代環(huán)境的研究提供資料。陶器等類器物在制作時含有少量的磁性礦物，經(jīng)高溫燒結，陶坯中原有的磁性會全部消失，然后在地磁場中緩慢冷卻下來時，陶器中的磁性物質又會重新獲得一種與當?shù)氐卮欧较蛞恢碌挠谰么判浴＿@種現(xiàn)象叫熱剩磁。熱剩磁的磁化強度與地球磁場強度成正比，它忠實地記錄了當時當?shù)氐牡卮艌?。所以，只要知道地球磁場的強度、方向的變化?guī)律，通過測量熱剩磁與磁性變化曲線相比較就可得出陶器的年代。地球本身是個大磁場，可南、北兩極并非永恒不變，而是不斷的在偏移，甚至每過幾十萬年，就可能發(fā)生一次南北極倒轉，而地球上河流湖泊的形成、火山的噴發(fā)過程，都能記錄當時地球的磁性狀態(tài)。通過這些研究，就可以測定出土的一些遺跡與遺物的年代。隨著時代的發(fā)展，通過地磁考古已經(jīng)成了考古專業(yè)一個不可缺少的重要方法。

5 地磁場和生命

遙遠的太空到處都充斥著高能帶電粒子流，而地磁場阻擋著這些高能帶電粒子流。這些粒子是帶電的，當他們進入磁場的時候，會受到洛倫茲力的作用使粒子偏轉，而地磁場在兩極附近最強，赤道最弱。但是赤道處的地磁場幾乎是平行于地面的，射向地面的帶電粒子剛好被偏轉了，因此難以到達地面。實際上，有很多帶電粒子是沿著磁力線從赤道跑到兩極去了。到兩極時由于磁場變強，使得離子產(chǎn)生了加速度。這些運動的高能粒子撞擊高層大氣中的原子，它們與氧和氮的原子碰撞，擊走電子，使之成為激發(fā)態(tài)的離子。這些離子發(fā)射不同波長的輻射，產(chǎn)生出紅、綠或藍等色的極光特征色彩，這就產(chǎn)生了極光。地球上生命的存在，依賴于地磁場形成的保護層。正是在這個保護層下，人類避免了這些高能粒子帶來的輻射，得以安然無恙地衍生繁殖。

地磁場的奧秘是無窮無盡的，直到今天人們還在孜孜不倦的研究著，期待能用地磁場發(fā)電；研究地磁場和人的生理磁場的關系，通過心磁圖和腦磁圖觀測，希望能用來改進人的大腦，為人類服務。然而人類才建立了400年的地磁場數(shù)據(jù)，還有更多的規(guī)律期待人們?nèi)パ芯?，為什么今天的地磁場在慢慢消失？為什么地磁的南北極每過一段時間要翻轉？如果真的有一天地磁場消失了，人類又何去何從？也許在不遠的將來那一層層神秘的面紗就會掀開，事實全部展現(xiàn)在人們的面前。