为什么地球的磁极现在(过去)在它们的位置上?

Question

这是一个后续问题是什么导致地球有磁极?

地球有磁场，根据发电机理论我大致理解其中的原因。如果地球的自转影响地球磁场，那么磁极与旋转平面正交似乎也是很自然的。

但有几件事我还是不明白:

• 为什么磁极位于地理极点附近，而不是恰好在地理极点上?

• 为什么它们会随时间漂移?

• 为什么地球磁场有时会改变极性?

• 极性的变化是基于某种周期的吗?它们能被预测吗?

Answer 1

实际上，这三个问题都是直接相关的。

正如你所提到的，地球磁场是由外核中熔融导电物质(可能主要是铁)的流动产生的。(与普遍的看法相反，只有外核和海洋是液体的。地壳、地幔和内核都是固态的。固体可以流动，但它们有抗剪强度。液体没有剪切强度。)

然而，这种流动是湍流的。

因此，地球磁场可以用两极来描述，但实际上，它要复杂得多。部分原因是地壳结构(例如，我们在地球物理学中通常使用的磁异常，例如，定位火成岩入侵或了解海洋地壳的演化)。然而，由于地壳结构的部分变化并不快，只影响一个非常小的区域。“更长的波长”(即更宽)的差异是由于外核流动的变化造成的。

流动中的每一个“涡流”(即任何涡度)都会产生自己的磁场。这些的总和就是产生全球磁场的原因。在地表，我们离产生磁场的气流有相当远的距离。因此，它被“平滑”，这些小扰动不那么明显。它看起来相当接近于一个磁偶极子，因为大部分流量大约围绕着地球的旋转轴。

这是你第一个和第二个问题的答案。

磁场不是单一的层流“电流”的结果，而是更复杂的湍流的总和。因此，它与旋转轴不完全匹配，磁极的位置随着人类的时间尺度而变化。

我先不回答第三个问题，因为你把它分成了一个单独的问题，但基本上，流倾向于自组织，产生一个接近单个偶极子的强磁场。然后，由于不完全清楚的原因，它会周期性地不稳定(基本上，你会有多个同样强的极点，它们在某种程度上相互抵消)，然后重新稳定(有时是相反的方向)。

如果你对“流行科学”风格的文章感兴趣，有一个非常好的科学美国人这是由Glatzmaier(这个领域的一个非常大的名字)写的。不幸的是，网页版缺少印刷版中的数字，但它们大多来自Glatzmaier & Roberts, 1995或者是同一作者的一篇后续论文。