【地球磁場】探索地球磁場的奧秘：隱藏在地球表面的無形力量

地磁場

地磁場乃一源自地球內部，並延伸至太空的磁場。一般而言，地表的磁場強度約在 25 至 65 微特斯拉（或 0.25 至 0.65 高斯）之間。簡言之，地磁場是一個與地球自轉軸成 11° 角的磁偶極子，類似將一個傾斜的磁棒置於地球核心處。當前的地磁北極位於北半球的格陵蘭附近，實際上是地磁場的南極，而地磁南極則是地磁場的北極。

形成原因

當地球核心向外釋放熱量時，將驅動外核中的熔融鐵發生對流運動，進而產生電流。這種電流便是地磁場形成的主因，此原理又稱發電機理論。

南北磁極通常接近地理極點，但在地質時間尺度上，其位置可能發生顯著變化。這種變化極其緩慢，不足以影響日常指南針的使用。然而，平均每隔幾十萬年，就會發生一次地磁逆轉，即南北磁極突然（相對於地質時間尺度而言）互換位置。每次逆轉都會在岩石中留下印記，這對古地磁學研究極為重要。由此取得的數據有助於科學家瞭解大陸和海牀板塊的運動。

磁層

磁層指的是地磁場在電離層以上的影響範圍。它能夠向太空延伸數萬公里，並阻止太陽風和宇宙射線中的帶電粒子損壞地球大氣層，因此使得阻擋紫外線的臭氧層不致消失。

地磁偏角與傾角

在地磁場中，任何空間點都可以利用三維向量描述。測量向量方向的最基本方法，是使用指南針判定磁北極的方向。該方向與正北方的夾角稱為「偏角」，與地平面之間的夾角則稱為「傾角」。磁場強度（F）與磁鐵所受的磁力成正比。

地磁強度的表現形式

描述地磁強度時常採用的單位包括高斯（G）和納特斯拉（nT），互換公式為 1G = 100,000nT。一個納特斯拉亦稱伽馬（γ）。特斯拉是量度磁場強度的國際單位制單位。地磁場的強度介於 25,000 至 65,000nT（0.25 至 0.65G）之間（一個磁性較強的冰箱磁貼磁場強度約為 10,000,000 納特斯拉（100 高斯））。

地磁強度等的圖示

磁場強度等的圖示稱為「力線圖」。世界地磁模型顯示，地磁場強度的整體趨勢是從兩極至赤道逐漸減弱，強度最低處位於南美洲一帶的南大西洋異常區，最高處則位於加拿大北部、西伯利亞以及澳洲以南的南極海岸。

地磁傾角的數值可在 -90°（上）和 90°（下）之間。地磁場在北半球向下傾，在地磁北極指向正下方，並隨緯度下降而逐漸向上，至「地磁赤道」處完全與地表平行（0°）。往南，傾角繼續向上，直到地磁南極處指向正上方。

當地磁場相對正北方向東偏時，偏角數值為正，往西偏時則為負。其中一個測量方法是比較指南針的指向和天極的方向。

地磁極

根據地球兩極的方位定義磁鐵的南北兩極，而不是相反：磁鐵的北極是指南針在自由旋轉時轉向地磁北極的一端。由於兩塊磁鐵的南北兩極相吸，這意味著地磁北極其實是地磁場的南極（即地磁場線指向地心之處）。

地磁兩極的位置有局部和全球兩種定義。局部定義是磁場線垂直於地表之處，這可以通過測量地磁傾角來判斷：地磁北極的地磁傾角為 90°（正下），地磁南極則為 -90°（正上）。兩極各自會獨立移動，並不一定在地球的對蹠點上。移動速度時快時慢，地磁北極在 2003 年達到每年 40 公里的移動速度。自 1830 年代起，地磁北極一直向西北方移動，從 1931 年的加拿大布西亞半島開始，至 2001 年剛毅灣以外 600 公里處。

太陽風影響

地磁場在地表近似於磁偶極子，但在大氣層以上會在太陽風的影響下變形。太陽風是來自日冕、速度為每秒 200 至 1000 公里的帶電粒子。伴隨著太陽風的磁場稱為行星際磁場。

太陽風可以施加壓力，一旦抵達地球大氣會對它進行侵蝕。不過，地磁場也會施加壓力，它對太陽風所施加的壓力可保護大氣免受直接衝擊。磁層頂是太陽風壓力和地磁場壓力相互平衡之處，這是磁層的邊緣。磁層的形狀並不對稱，其面對太陽的部分向外延伸約 10 個地球半徑，背對太陽的部分則是一條延伸超過 200 個地球半徑的磁尾。

磁層頂面對太陽的部分是一個弓形震波，此處的太陽風速度驟然降低。位於磁層以內的是呈圓環形、含低能帶電粒子（即等離子）的等離子層。等離子層從 60 公里的高度開始，延續至 3 到 4 個地球半徑，其中包含電離層。這個區域會隨地球公轉。另有兩個含高能離子（能量在 0.1 至 10MeV 之間）的同心車胎形區域，稱範艾倫輻射帶。內帶在 1 至 2 個地球半徑以外，外帶在 4 至 7 個地球半徑以外。等離子層和範艾倫輻射帶之間有些重疊，重疊的程度會隨太陽的活躍度而大幅波動。

宇宙射線與磁層

除了太陽風以外，地磁場還會阻擋宇宙射線。宇宙射線含高能帶電粒子，主要來自太陽系以外，其中不少成分已被太陽的磁場阻擋在太陽圈（太陽的磁場影響範圍）以外。

一部分帶電粒子能夠進入磁層。它們繞著磁場線做螺旋運動，在兩極之間每秒來回反彈幾次。陽離子往西緩慢漂流，陰離子往東漂流，形成環狀電流。這一電流會減弱地表的磁場。在穿透電離層時，帶電粒子會與那裡的原子發生碰撞，從而產生極光並發出 X 光。

磁層的變化

磁層的變化狀態主要是被太陽活動所驅動，這就是所謂的太空天氣。太陽風弱，則磁層就會擴張；反之，太陽風強，則磁層會受到擠壓，更多的帶電粒子因此能夠通過磁層。在太陽特別活躍期間，比如當日冕大量拋射使衝擊波橫掃太陽系時，在地球上就會發生磁暴。這樣的衝擊波只須兩天就會抵達地球。磁暴可以造成大規模破壞，如 2003 年的「萬聖節太陽風暴」就損壞了美國太空總署超過三分之一的人造衞星。有記錄以來最大規模的磁暴發生在 1859 年，所產生的電流使電報線短路，緯度低至古巴都能看到極光。

古地磁場研究

對澳洲古太古代熔岩和南非礫巖的研究顯示，地磁場在 34.5 億年前就已存在。

地磁場變化的時間尺度

地磁場變化的時間尺度短至毫秒，長至百萬年。較短的變化主要來自電離層和磁層中電流的日常波動和磁暴。時長在一年以上的變化反映地球內部的變化，特別是富含鐵的內核。

長期變化

地磁場偶極子的方向和強度都會隨時間變化。過去 200 年間，磁偶極強度以每百年 6.3% 的速率減弱。目前的強度和變化速率在過去 7000 年間並無偏離常規。在長期變化中，一種不可用磁偶極子描述的顯著特色是，地磁場以每年 0.2 度的速率向西漂移。全球各地在不同歷史時期的漂移程度都有所不同。全球平均的漂移方向自公元 1400 年起向西，1000 年至 1400 年間則向東。

在有地磁觀測站記錄之前的地磁場變化可以通過考古和地質勘探推算出來。這種變化稱為「古長期變化」。記錄顯示，地磁場在長時間內變化較小，但偶爾會發生大幅度的地磁偏移和逆轉。

地磁場的逆轉

地磁場可以大致近似為與地球自轉軸對齊的磁偶極子，有時候，地磁南北極會互換位置。在一些玄武岩、海牀沉積物和海牀磁異常中，可以找到「地磁逆轉」現象的證據。逆轉並無週期性，兩次逆轉之間的時長從 10 萬年至 5000 萬年不等。離當今最近的一次地磁逆轉發生在 78 萬年前，

地球磁場

地球磁場是地球周圍的一層磁場，是由地球內部運動的液態鐵外核產生的。它將地球包裹起來，形成一個磁氣護罩，保護地球免受太陽風和宇宙輻射的侵襲。

地球磁場的來源

地球磁場是由地球內部運動的液態鐵外核產生的。當液態鐵移動時，會產生電流，這些電流又會產生磁場。由於地球的自轉，這些磁場會排列成一個大致的偶極子場，北極指向地理南極，南極指向地理北極。

地球磁場的特性

地球磁場具有以下特性：

延伸閲讀…

地磁場_百度百科

地磁

地球磁場的功能

地球磁場發揮著重要的作用：

• 保護地球免受太陽風侵害： 地球磁場將太陽風偏轉開，防止其帶電粒子衝擊地球的大氣層。
• 保護地球免受宇宙輻射侵害： 地球磁場偏轉高能宇宙射線，減少其對地球生命的危害。
• 動物導航： 許多動物，如候鳥和海龜，利用地球磁場進行長距離導航。
• 指南針指南： 指南針上的磁針會對齊地球磁場的南極，指示出地理北極的方向。

地磁偏角

地球磁場並非完美對齊地理南北極，而是會隨著時間和地點的不同而發生偏離。這種偏離稱為地磁偏角。地磁偏角會影響指南針的準確度，因此航海者和地質學家在使用指南針時需要進行校正。

地球磁場的變化

地球磁場並非恆定的，而是會隨著時間緩慢變化。這些變化包括地磁偏角的漂移、磁場強度的不斷減弱以及磁極的偶爾反轉。地球磁場的變化主要由地球內部液態鐵外核的運動驅動，但也可以受到太陽活動和其他因素的影響。