[科普中国]-地磁场水平强度

概念

地磁又称“地球磁场”或“地磁场”。指地球周围空间分布的磁场。地球磁场近似于一个位于地球中心的磁偶极子的磁场。它的磁南极(S)大致指向地理北极附近，磁北极(N)大致指向地理南极附近。地表各处地磁场的方向和强度都因地而异。赤道附近磁场最小(约为0.3—0.4奥斯特)，两极最强(约为0.7奥斯特)。其磁力线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的，两极附近则与地表垂直。地球表面的磁场受到各种因素的影响而随时间发生变化。通常把地球磁场分为两部分，即来源于地球内部的“基本磁场”和来源于地球外部的“变化磁场”。

地磁场水平强度是地球表面某处磁场强度矢量H的水平方向的分量，是地磁三要素之一。在磁极处，H的水平分量为零，在地磁赤道处H的水平分量即H。北京地磁场水平强度比兰州小。

地磁场的磁场强度在其水平方向的分量，是地磁场的三要素之一。通常用H∥表示。在铅直方向的分量叫做铅垂强度，通常用符号H⊥表示。如果某处的地磁场强度为H，则：H∥=Hcosθ，H⊥=Hsinθ，式中θ为该处的磁倾角。1

地磁场地球周围空间的磁场分为近地面磁场和高空磁场。近地面磁场一般指上地幔到约1000公里以下这部分空间的磁场。如果不加特指，地球的磁场就是描述近地面磁场，而离地面600～1000公里以上往外延伸的高空磁场则被称为磁层。

偶极磁场——地球的磁场是偶极磁场，主要来源于内部(图1)。根据1975年测量，地磁南极位于北半球76.°2N，100.°6W，习惯上称作北磁极；地磁北极位于南半球65.°8S，139.°4E，习惯上称作南磁极。磁轴和地轴相交11.°5，磁极位置的磁场强度约比赤道处的磁场强度高出一倍左右，并且磁极的位置不断变化。通常用地磁强度表示磁场的强弱，单位是伽玛(1伽玛=10奥斯特，定义单位磁极在磁场中受1达因的磁场力，则磁场强度是1奥斯特)，地球平均地磁强度为50000伽玛，在太阳系中比起水星、金星、火星的磁场，地球的磁场强很多，但比起其他大行星又弱。地球磁场不稳定，有短期变化和长期变化。短期变化有日变化、月变化、季节变化以及太阳风引起的变化，这些变化都与地球在太阳系中的位置和自转公转运动有关；长期变化主要表现在磁极的位置不断改变。根据地质时代岩石的剩余磁性测定，磁极曾发生过多次倒转。至于倒转产生的原因，至今还仅停留在“假说”阶段，没有形成完整的理论。

磁层——由于太阳上发出持续不断的稳定粒子流(叫做太阳风)影响地球磁场，并把地磁场限制在一定的空间，使地球的偶极磁场到了高空中不能无限制地向外扩张，这样形成的磁场空间就是“磁层”。由于太阳风的影响，正对太阳风与背对太阳风两面不同，正对太阳风一面，磁层达到10个地球半径处，当太阳活动激烈时，太阳风增强，可把磁层边缘压到5～7个地球半径。磁层和太阳风前沿 (激波面) 之间的区域叫“磁鞘”，约3～4个地球半径。在背向太阳风的一面，磁层可以达到几百甚至1000个地球半径，形成圆柱形尾巴。圆柱中间地球赤道中面区域，由于磁力线互相抵消，成为“中性片”，从中性片到磁层边缘约22个地球半径。在磁层边界处地球磁场强度已减少到几十伽玛，磁层以外将不属于地球磁场而成为行星际空间磁场了 (图2)。

辐射带——地磁场在磁层范围内俘获太阳风的带电粒子，形成两个“地球辐射带”，又叫“范·艾伦辐射带”，位于中、低磁场纬度的上空。内辐射带在赤道平面距地面约1～2地球半径，主要在地磁低纬40°以内，外辐射带在赤道平面距地面3～4地球半径处，可以延伸到地磁纬度50°～70°的区域，这两个辐射带没有明显的界限，常随太阳活动而变化其范围。两个辐射带主要是由地球磁场俘获太阳风的质子和电子组成，但能量很强。内辐射带主要由高能质子其次是中、低能的电子组成; 外辐射带主要是高能电子其次是低能质子组成。两个辐射带套在地球周围，对人类活动起保护作用，阻挡太阳风，使人们不致受宇宙线的轰击，使地球上生物得以生存。由于极区没有这种保护，极区飞行要特别防止高能粒子的轰击，因而有必要作太阳活动预报以掌握高能粒子袭击的规律和强度范围，并保证安全。

磁场强度表示磁场的大小和方向的量。空间某一点的磁场强度可由作用在已知强度的磁极上的力或已知电流导线上的力来度量。对于已知形状的通电流的导线在空间某点的磁场强度可以计算出 来。例如对于一直径为D(单位为m)的单匝环形线圈，当通以电流i(单位为A)时，在线圈中心点的磁场大小H= i/D。若D=1m，i=1A，则H= 1A/m，方向由右手螺旋法则确定。磁场强度的单位 为A/m。

由于磁场是电流或运动 电荷引起的，磁介质在磁场中发生磁化对磁场也有影响，故磁场强度有两种表示方法： 在充满均匀磁介质的条件下，包括磁介质因磁化产生的磁场在 内，用磁感应强度B表示；单纯由电流或运动电荷 引起的磁场用磁场强度H表示，B与H均是矢量，其方向即为磁场的方向。磁感应强度取决于电流或运动电荷在磁场中所受的力，其电磁单位为高斯 (Gs)，国际单位制为韦伯/米(Wb/m)；磁场强度取决于产生磁场的电流强度，电磁单位为奥斯特(Oe)，国际单位制为安培/米(A/m)。在各向同性的 磁介质中，B与H的比值即为介质的磁导率。2

磁倾角地球表面任何一点的地磁场总强度矢量与水平面之间的夹角，常用符号θ表示。早在公元11世纪以前，我国古代人们在研制指南鱼时，就发现了地磁倾角的存在。

利用特定的仪器，可以测出各地的磁倾角。这种仪器把磁针安装在一个水平轴上，水平轴通过磁针的重心。把磁针放在磁子午面上，它要在地磁场作用下，在竖直平面上转动，量出磁针静止时与水平面的夹角，就是磁倾角。在地磁极处，磁倾角为90°。3