第三章 地球磁场与磁层The Geomagnetic Field and Magnet.docVIP

第三章 地球磁場與磁層The Geomagnetic Field and Magnetosphere 章節大綱： 3.1 地球磁場 (The Earth’s magnetic field) 3.2 磁層物理概論 (The magnetosphere) 3.3 地磁變化與參數 (Magnetic variation and index) 在西方的科學記錄中，相傳牧羊人在放牧的過程中於礦石中找到了一種會持續指向相同方向的魔法石。而且這一類的礦石，不僅會指向同一個方向還可以吸附在一些金屬物質上，這種神奇的魔法石就是我們今日所稱的磁鐵。事實上，在東方的歷史記載中，北宋的文史資料中便有詳細記錄著如何利用不同的方法製造磁針。磁鐵能夠指向相同的方向，必須要依靠其內部的分子排列，才能產生磁性。但是更為重要的要素，是因為我們所生存的地球上具有磁場，才能夠使得磁鐵受到地球磁場的作用而指向相同的方向。 3.1 地球磁場 地球磁場的形成，根據科學家多年來的研究，有一種說法認為由於地球內核滾燙的金屬流體流動的關係，產生環型電流後造就地球磁場。最為簡單的方式，是將地球的磁場想像成是由於一根巨大的磁鐵棒擺放在地球的內部所導致。這跟磁鐵棒的中心軸跟地球本身的自轉軸約有11.5°左右的夾角，且地磁的南北方向則和地理的南北方向相反(圖3-1)。所謂的地磁南極目前的位置約在83.2°N, 108.2°E(靠近格陵蘭島附近)，而地磁北極則在64.5°S, 137.8°E(位於南極大陸的邊緣)。但是這兩個磁極的位置並非固定不動，而是會隨著年份而有所偏移(見圖3-2)。  圖3-2 地球磁場南北兩極位置與其隨年份之變化現象(左為北半球，右為南半球) 資料來源：http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/ 從圖3-2便可以得知在短時間內地球磁軸會自高緯度逐漸朝向低緯度移動，而從大西洋中洋脊兩側的地層中，因為高溫的岩漿在凝固的同時能夠保持當下的磁場方向，因此藉由地殼資料加以分析更可以發現到，地球磁場每個數千年就會產生倒轉的現象(圖3-3)，因此現在的所謂的指北針在過去以及未來的時候，就有可能會變成指南針。 從地球上量測地球磁場，可以把磁場用幾個參數量加以描述(圖3-4)。除了恰好位在地磁赤道上之外，地球磁場和地表都會存在著一個夾角。依照目前的地磁狀態而言，北半球的磁場是斜入地表，而南半球的磁場方向則是斜出地表。而磁力線與地表所夾的交角，便稱之為地磁傾角(inclination angle)。藉由著這個角度就可以得到地球磁場在水平方向上的磁場強度(H component)以及垂直方向上的磁場強度(Z component)，不加轉換之前所量測到的磁場強度則稱為全磁場強度(F component)。除了磁傾角之外，因為地球磁軸與自轉軸並非在相同位置上，所以所謂的地磁北方會與地理正北存在著一個角度上的偏差量，這個偏差角稱之為磁偏角(declination angle)。在購買地圖時，多半都會在地圖上標示出地理北以及地磁北的方向，以便讓使用者可以配合指北針使用找到正確的位置與方向。透過磁偏角就可以得知到地球磁場在南北方向上(X component)以及東西方向上(Y component)的強度。而對磁傾角而言，向下的角度為正，向上為負；對於磁偏角而言，向東為正，向西則為負。因此地球磁場的表示方法就可以分為兩種系統，一種是用全磁場強度、磁偏角以及磁傾角所組成的[H、D、I]表示法，另外一種則是利用東西、南北和垂直方向磁場強度所構成的[X、Y、Z]表示法。以台灣為例，所量測到的全磁場強度(F)約為45,000nT (1nT=10-9T)，而磁傾角(I)約為35°左右，磁偏角(D)約為-4°。 3.1.1 磁場方程式 由於假想在地球的內部存在著一個大磁棒，因此整個地球磁場就可以利用一個磁偶極的磁場方程式(dipole magnetic field)加以描述。 (3.01) 化簡後可以得到地球的磁場可以改寫為： (3.02) 在式子中，θ稱為磁餘緯度(co-latitude)，為90°減去所在的磁緯度；r則為自地心開始計算的半徑。從式子中可以得知磁場強度會與半徑的三次方成反比，因此隨著距離的增加磁力會減弱的相當迅速。但這個以磁偶極所近似的磁場方程式，只能適用在中、低緯度以及距離地表較近的位置，如果是高緯度或是距離較遠的位置，因為尚需考慮地球磁場與行星際磁場的相互作用便無法利用這個方程式加以描述。但在地表上，利用這條描述方程式，便可以得到全球的磁場強度分布(圖3-5)與地磁經、緯度(圖3-6)。 圖3-5 全球地磁強度分布 圖片來源：/geomag/f