磁場存在的原因

 磁場存在的原因

02-02-2022

 

中國古代就發明了指南針, 但不知道地球原來就是一塊磁鐵, 只知道手中的磁針永遠指向某一個方向!

 

有關地球磁場是如何產生, 近百來有各種說法。但因為都無法自圓其說, 又沒有實驗證, 各家說法也都只能是假說, 有的不靠譜, 有的比較有理論支持。就简單地一一描述如下:

 

(1) 永久磁石假說

早在公元1600年, 英國的威廉·吉尔伯特（William Gilbert, 1544－1603), 提出 “地球本身就是一塊巨大的磁石”。其產生的磁場就好像是一個近似沿自轉軸方向,一端發出,一端收纳,且均勻散佈的一個磁化的球體。

 

後來物理學家們認爲地核很可能是由鐵、鎳等天然磁性很強的物質組成的, 所以 “地球是個大磁石” 的猜測看似得到了支持。

 

但後來發現, 地球內部的溫度遠超過鐵的居里點, 也就是說在高温 770℃（居里温度), 鐵的磁性會完全消失, 所以這個假說就被推翻了。

 

(2) 自激發電機假說

1919年, 愛爾蘭出生的約瑟夫·拉莫爾爵士 (1857 – 1942) , 一位英國著名的物理學家, 首先提出了旋轉的導電流體, 可維持自激發電機的可能性。這是後來地球磁場起源自 “電磁感應” 現象的最早概念。

 

(3) 發電機理論假說 (Dynamo Theory)

1945年, 美國物理學家埃爾薩塞根據磁流體發電機的原理, 認爲 “發電機機制” 的主要原理是基於地球的內部結構, 也就是地球核心的溫度非常高, 地核的冷卻主要是靠和地幔之間的對流, 這樣就自然產生了導電的流體。也就是說,地球外核中熔融的液態鐵、鎳等金屬, 最初借着行星自轉的微弱磁場, 產生對流運動。

 

這就像磁流體發電機一樣, 產生電流。電流在磁場之中,不断地增強了原來微弱磁場。但由於運动摩擦生熱的消耗, 磁場增加到某一定程度,就穩定下來, 形成了現在的地磁場。

 

由於這個過程需要局部微弱電流產生的 “種子” 磁場, 所以這個推測就被認為似類上述的 “自激發發電機”假說。

 

假如地球內部一開始有局部的微弱電流, 可以產生局部的微弱磁場, 導電的流體隨着地球的轉動就會和 “種子” 磁場作用, 類似於通電的線圈在永久磁鐵中的相對運動。根據法拉第電磁感應定律, 就會產生感應電流。

 

其實地磁場本身是很弱的, 大概只有25-65微特斯拉, 即一特斯拉的十萬分之一。

 

不是所有宇宙中的行星都擁有磁場。事實上, 火星的磁場大約在39億年前就已經停止了。如果以後人類移民火星, 想用指南針找路看來是不可能的了。

 

 

(一)什麼是地磁

地球磁場是源自於地球內部，並延伸到太空的磁場。磁場在地表上的強度在 25－65 微

特斯拉（即 0.25 至 0.65 高斯）之間。粗略地說，地磁場是一個與地球自轉軸呈 11°夾角的磁

偶極子，相當於在地球中心放置了一個傾斜了的磁棒。目前的地磁北極位於北半球的格陵蘭

附近，實際上它是地磁場的南極，而地磁南極則是地磁場的北極。

磁層指的是地磁場在電離層以上的影響範圍。它能夠向太空延伸幾萬公里，並且阻止

太陽風和宇宙射線中的帶電粒子損毀地球大氣上層，因此使得阻擋紫外線的臭氧層不致消失，

受到地球磁場牽引的帶電粒子也在地球兩極高空中造成絢麗的極光（aurora）現象。

(二)地磁的成因：發電機理論（ Dynamo theory）

科學家認為，地核向外散發熱量時，引起外核中熔融鐵的對流運動，進而產生電流，地

球磁場即是此電流所致。這種形成天體磁場的原理，稱為發電機理論（dynamo theory）。當

導電流體流經已形成的磁場時，會產生電磁感應及其磁場。感應磁場對原磁場有補償作用，

如此一來可維持自身電力的發電機就形成了。類似的磁場在太陽、金星等天體上也存在

（ 格拉茲麥爾、歐爾森，2005 ）。依照發電機理論，若一顆行星能夠產生行星磁場，必須

滿足三大要件：

1、 行星內部存在大量的導電流體

地球深處的外核為液態，且富含鐵質，包覆著由純鐵所組成的固態內核，深埋在厚重的

地核與極薄的大陸、海洋地殼之下，距離地表的深度約 2900 公里。這些由鎔融的鐵和鎳構

成的外核，具有導電性能，相對著包圍在外面的地函發生轉動，使之在原有的小型磁場中產

生電流，這個電流就可以產生地球的磁場。

2、熱對流

驅動地球發電機的能量，一部分是熱能，一部分是化學能，兩者在地球核心深處加熱物

質，使得地核底部比頂部熱，造成浮力，因此外核深處那些較熱、密度較低的鐵會上升。當

這些液體到達地核頂端， 碰到上方的固態地函時， 會喪失部分的熱。於是液態鐵會冷卻、

密度變得比周圍環境高，因而下沉。這個透過外核內部液態鐵元素的上升及下沉，將熱能由

下往上傳送的過程，稱為熱對流。

3、科氏力效應

地球自轉造成科氏力效應（Coriolis effect），會使得地核內上升的流體偏向。在地核中，

科氏力使湧升的流體沿著螺旋路線上升，順著似螺旋線圈般的移動。而又因地球擁有富含鐵

的液態核心，有足夠的能量驅動對流，並具有科氏力可使對流的流體扭轉，這促使以導電流

體流經已形成的磁場時，會產生電磁感應及其磁場，這使地球內部得以產生磁場，即為發電機效應。

(三) 不穩定的地磁：太陽風與地磁反轉

地球磁場變化的時間尺度差異很大，短至毫秒，長至百萬年。較短的變化主要來自太陽

活動，或是電離層和磁層中電流的日常波動。時長在一年以上的緩慢變化，則是反映地球內

部的變化，特別是富含鐵的內核。

1、短期變化：太陽活動對地球磁場的影響

太陽活動越活躍，太陽耀斑與太陽黑子便會增加，日冕物質拋射也變得頻繁，

同時，太陽向外拋射的高能粒子快速增多，太陽釋出的極短波輻射 （如 X-射線、紫

外線）也隨之增長。這些現象對地球磁場產生擾動，電離層受到影響，開始扭曲或

壓縮地球磁場（見圖三），影響人類的電磁通訊和造成極光。以下（見圖四）是

1900 年至 1993 年的太陽黑子蝴蝶圖，如圖可發現，太陽黑子週期開始時，黑子主要

出現在南、北緯約 35°處，而在週期結束時，黑子通常出現在南、北緯約 5°處。黑子

的分佈不同週期間有微小的差異，而南、北日球的黑子分佈也有相當的不對稱性，

即反映了太陽活動的週期變化。

2、 長期變化：地磁反轉

在地磁學家開始研究海洋地殼岩石所記錄的磁性後，發現了幾百萬年來，地球

磁場曾經多次的地磁反轉，在當時不但證明了海底擴張，更證明了確實有地球磁場

反轉一說 (格拉茲麥爾、歐爾森，2005)。

近年來，科學家也透過石筍的紀錄後發現，地球磁場反轉的頻率可能比過去想

像的要來得快。石筍是喀斯特地形的一種自然現象,石筍內含有微米碎屑磁鐵礦顆

粒，在生長過程中會記錄下當時的地磁方向，利用鈾釷定年法重建解析度精準至幾

十年、歷時 16,000 年、時間點落在 10 萬年前的珍貴地磁紀錄，從研究分析到發表成

果總共耗費 8 年。10 萬年前，地球磁場也很弱且不穩定，不斷重複發生相似性極高

的不對稱性地磁極南北飄移週期，稱為「周氏震盪」(chou oscillation)。最驚人的是

98,000 年前，地磁極最快可在 100 年內發生一次倒轉。過去 100~200 年的科學儀器觀

測顯示，如果沒有其他影響，則磁極翻轉時間點應該落在千年之後；此外，地磁場

翻轉需要磁場強度低到目前的十分之一，才「有可能」反轉，但磁極翻轉可能遠比

過去估計的速度快上 10 倍（Stein, 2018）。

四、蜜蜂的磁感受器

成年的蜜蜂擁有與其他動物相似的磁感系統及太陽定位的能力，如鳥類、魚類、鯨

魚、海豚、昆蟲和微生物等，都具有此功能來作為回巢或遷徒的依據。

在一些研究指出，蜜蜂大腦視葉中具有隱色素，可能藉由化學磁感系統來感受磁場變

化，在蜜蜂的腹部也找出含有許多鐵顆粒的細胞，而科學家在細胞中發現含有一些奈米大小